Názov projektu: ABCFEH
Vedúci projektu: Tamás Hegedűs
Domáca inštitúcia.: MTA-SE Výskumná skupina Molekulárnej Biofyziky, Maďarská akadémia vied, Budapešť, Maďarsko a Oddelenie biofyziky a Rádiovej Biológie, Semmelweiská Univerzita, Budapešt, Maďarsko
Cystická fibróza je najbežnejšou monogénnou chorobou kaukazskej populácie s vysokou úmrtnosťou. Úmrtnosť je spojená s nedostatkom chloridového výtoku z bunky do povrchovej kvapaliny dýchacej cesty, čo spôsobuje abnormálne hustú kvapalinu. Tento fenomén vedie k dysfunkčnému bitiu rias a znižuje schopnosť zbavovať sa baktérií. Podobné procesy spôsobujú problémy v tráviacom trakte (črevo, pankreas). Na druhej strane v pokožke sa nevstrebáva chlorid z potu, takže pacienti strácajú dôležitý ión. Vysoká strata soli sa dá ľahko vycítiť a používala sa na diagnózu, spájala sa aj s bosoráctvom v neskorom pätnástom storočí, čo vyjadruje írske príslovie: „Beda dieťaťu, ktoré chutí slano, keď ho pobozkáte na čelo. Je prekliate a čoskoro musí zomrieť.“
Ochorenie cystickou fibrózou je spôsobené mutáciou v géne CFTR proteínu, ktorý slúži ako chloridový kanál v bunečnej membráne. Ak je proteín zmutovaný, ovplyvňuje to jeho štruktúru, skladanie a dynamiku. Hlavným cieľom v tejto oblasti výskumu je navrhnúť lieky, ktoré obnovia normálnu štruktúru a dynamické vlastnosti CFTR a dopravia tento kanál do bunečnej membrány. Oprava proteínu a návrh liekov a si vyžadujú znalosť štruktúry proteínu. Štruktúra CFTR je budovaná z 6+6 transmembránových závitníc prechádzajúcich cez bunečnú membránu a dvoch intracelulárnych nukleotid/ATP viažucich domén (NBD1 a NBD2). Pre demonštráciu obrázok (b) zobrazuje všetky atómy NBD2, ale ostatné časti boli zjednodušené pre uľahčenie vizualizácie. Najčastejšie zmutovaná aminokyselina, F508, je zvýraznená modrými paličkami. Vymazanie tohto fenylalaninu (ΔF508) narúša nielen vzájomné pôsobenie medzi NBD1 (žltá) a transmembránovými závitnicami (zelená), ale ovplyvňuje aj stabilitu NBD1.
Keďže experimentálne pozorovanie pohybu atómov v proteínoch je extrémne náročné, alebo vo väčšine prípadov dokonca nemožné, na výpočet pohybu nasadzujeme in silico metódy založené na fyzike, aby sme získali film na úrovni molekuly (http://www.hegelab.org/md.html). Aj keď je ľahké vypočítať pohyb jedného alebo dvoch atómov, je to náročné pre stovky alebo tisíce atómov v molekule proteínu. Toto nie je spôsobené len vysokým počtom atómov, ale aj komplikovanými vzájomnými vzťahmi medzi vzdialenými atómami, ako napríklad elektrostatika. Preto tieto výpočty takzvanej molekulárnej dynamiky potrebujú vysokovýkonné výpočtové prostriedky (t.j. počítače s veľkým množstvom CPU a niekoľkými najmodrenejšími GPU).
Analýza je tiež veľmi náročná, opierajúca sa o rôzne štatistické metódy a metódy vied o sieti. Sondovaním podstaty komunít v sieti aminokyselín (c, d) je možné identifikovať tie kritické (e), ktoré môžu umožniť šírenie potenciálne škodlivých mutácií naprieč širšou komunitou aminokyselín. Tieto sa potom stávajú potenciálnymi cieľmi pre lieky, ktoré môžu obmedziť ich šírenie.
Podľa našich výsledkov, viazanie tisícov molekúl k tomuto kritickému miestu sa dá testovať in silico. Najúspešnejšie lieky, medzi ktorými sú obvykle len desiatky kandidátov, môžu byť potom odskúšané použitím experimentálnych metód. Experimentálne efektívne a netoxické molekuly prejdú ďalším vývojom a klinickými pokusmi. Stručne povedané, pospájanie poznatkov z biológie, fyziky a matematiky môže pomôcť porozumieť účinku mutácií na proteínovú štruktúru a dynamiku, identifikovať väzobné miesta lieku a potenciálne vyvinúť liečbu na choroby ako je cystická fibróza.
