Biomolekulák dinamikus szerkezeti sokaságainak előállítása és jellemzése
Angol cím
Generation and analysis of dynamic conformational ensembles of biomolecules
magyar kulcsszavak
Fehérjeszerkezet, belső dinamika, NMR-spektroszkópia, molekuladinamikai szimuláció, fehérjeevolúció
angol kulcsszavak
Protein structure, internal dynamics, NMR spectroscopy, molecular dynamics simulations, protein evolution
megadott besorolás
Szerkezeti biológia (krisztallográfia és elektronmikroszkópia) (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
75 %
Bioinformatika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
25 %
zsűri
Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely
Információs Technológiai és Bionikai Kar (Pázmány Péter Katolikus Egyetem)
résztvevők
Czajlik András Kovácsné Ángyán Annamária Franciska Péterfia Bálint Ferenc Rovó Petra
projekt kezdete
2012-09-01
projekt vége
2017-08-31
aktuális összeg (MFt)
49.768
FTE (kutatóév egyenérték)
8.32
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A pályázat célja a kísérleti adatokat is figyelembe vevő molekuladinamikai számítások szélesebb körű alkalmazása és továbbfejlesztése. A fehérjék belső mozgásait realisztikus módon tükröző ún. dinamikus szerkezeti sokaságok elemzése választ adhat a szerkezeti biológia olyan aktuális kérdéseire, mint hogy egy adott fehérje-fehérje kölcsönhatás elsősorban az egyre inkább előtérbe kerülő (a fluktuációs fit elmélet reneszánszát jelentő) konformációs szelekció, vagy főként az indukált illeszkedés mechanizmusa szerint játszódik-e le. A dinamikus szerkezeti sokaságok segítségével új megvilágításba helyezhetők a mutációk okozta szerkezeti.dinamikai változások, a molekulákon belül fellépő, az allosztérikus hatások megértése szempontjából kiemelten fontos korrelált mozgások, illetve reményeink szerint közelebb kerülhetünk a molekuláris interakciók közben bekövetkező entrópiaváltozások kvantifikálásához is. Fejlesztési elképlezéseink kiterjednek a számítási módszertan egyes elemeinek rendezetlen fehérjékre történő kiterjesztésére, a több időskálára jellemző mozgások egyidejű figyelembevételének kidolgozására, valamint a kapott térszerkezeti sokaságok új szempontok szerinti kimerítő elemzésére. Kísérletes partnereinkkel egyűttműködésben elméleti és gyakorlati jelentőséggel is bíró fehérjék vizsgálatát, a kapott mérési eredmények innovatív felhasználását tervezzük, illeszkedve a szerkezeti biológia napjainkban zajló nagy paradigmaváltásába, amely a térszerkezet mellett a dinamika jelentőségét is hangsúlyozza.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A biomolekulák működésében a térszerkezet mellett a belső dinamika fontosságát is egyre szélesebb körben hangsúlyozzák a kutatók. Kísérletes oldalról az NMR-spektroszkópia, az elméleti megközelítések közül a molekuladinamikai számítások képesek a dinamikát atomi szinten leírni. Azonban míg az NMR-spektroszkópiából származó dinamikai paraméterek nehezen fordíthatók át közvetlenül tényleges mozgásokká, a molekuladinamikában használatos erőterek önmagukban nem biztosítják azt, hogy a kapott atomi elrendeződések összessége a kísérletes dinamikai adatokat tükrözze. Gyümölcsöző ugyanakkor a két módszer kombinációját használni, azaz a kíséretekből kapott paramétereket kényszerfeltételként felhasználva konkrét háromdimenziós szerkezeti sokaságokat előállítani számítási módszerekkel. Ezek a sokaságok egyrészt összhangban vannak a kísérletekkel, másrészt a molekuláris mozgások kézzelfogható reprezentációját jelentik, így számos molekuláris folyamat atomi szintű megértéséhez járulhatnak jelentősen hozzá. Az előállított dinamikus szerkezeti sokaságok a fehérjemolekulák újfajta modelljeit jelentik, szemben a hagyományos, egy vagy néhány kiválasztott konformeren alapuló ábrázolásokkal. Ezek az új modellek az elmúlt évek tanúsága szerint igen eredményesen használhatóak a biomolekulák viselkedésének, elsősorban egymással való kölcsönhatásainak megértésében, folyamatosan nyitva meg az utat újabb és újabb szempontokat vizsgáló innovatív elemzések előtt.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A biomolekulák kölcsönhatásainak vizsgálatában és jóslásában az egyik legnagyobb problémát a partnerek mozgékonysága, flexibilitása jelenti. Egy fehérjemolekula esetében ugyanis nagyon nehéz eldönteni, hogy az igen nagyszámú, hasonló, de egymástól kismértékben mégis különböző téralkat közül melyik lép hatékonyan kölcsönhatásba a partner molekulával. Ez a kihívás elsősorban a gyógyszerkutatásban jelentkezik, ahol a fehérje-ligandum dokkolások során talán a legnehezebben kezelhető, sokszor - kísérletes dinamikai adatok híján - ismeretlen faktort testesíti meg. Ugyanakkor a lehetséges biotechnológiai fejlesztések, pl. adott célra tervezett enzimek esetében is döntő tényező lehet a belső dinamika, amelynek pontos feltérképezése, adott esetben bizonyos aminosavcserék okozta megváltozásának előrejelzése jelentős nehézségekbe ütközhet. Az általunk tervezett kutatás eredményeképpen egyrészt a jelenleginél többféle eszköz áll majd a kutatók, fejlesztők rendelkezésére a belső dinamika konkrét, atomi szintű modellezéséhez, másrészt több olyan fehérje és kölcsönhatási rendszer alapos feltérképezése történik majd meg, amelyekből levont következtetések előrelendíthetik a belső dinamikával összefüggő kérdések jobb felvetését és hatékonyabb megválaszolását.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az élet működésének mély megértését az élőlényeket felépítő molekulák megismerése teszi lehetővé. Ezen molekulák sokszor egyedi, rájuk jellemző térbeli alakkal rendelkeznek, amely döntő fontosságú feladatuk ellátásához: legtöbbször a különböző partnermolekulák alakjának illeszkedése jelenti ehhez a kulcsot. A XX. század végétől azonban egyre inkább előtérbe kerül ezen molekulák dinamikus mivolta, azaz az a tulajdonságuk, hogy alakjuk nem merev, hanem időben dinamikusan változik. Ez az elmúlt években jelentős szemléletváltást hozott el a biomolekulák kutatói körében, akik közül egyre többen ismerik fel a molekulák belső dinamikájának jelentőségét azok működése során. Kutatásunk ezen belső dinamika jobb feltérképezésére és megértésére összpontosít újszerű módon, kísérletes és elméleti számítási módszerek összekapcsolásával. Célunk a rendelkezésre álló hasonló eljárások továbbfejlesztése és minél több valós fehérje esetében konkrétan felmerülő kérdésekre történő alkalmazása. Eredményeink várhatóan nem csak általános, elméleti jelentőséggel bírnak majd, hanem hasznos hozzájárulást jelenthetnek a gyógyszerkutatás és a biotechnológia területeihez is.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The aim of the project is the application and further development of molecular dynamics calculations complemented with experiment-derived restraints. Dynamic conformational ensembles reflecting the internal motions of proteins in a realistic way can be used to address actual questions in structural biology like the contribution of conformer selection (a re-emergence of the fluctuation fit concept) and induced fit to a specific protein-protein interaction. Moreover, the effect of mutations, the extent and nature of correlated motions (key in allosteric effects) can be investigated in more detail. Moreover. we might get closer to quantification of entropic contribution to intermolecular interactions. We plan to extend the current methodology to intrinsically disordered proteins and to allow for the generation of ensembles reflecting motions at multiple time scales. Also, novel analysis tools for the detailed investigation of the resulting ensembles will be developed. Together with our research partners performing experiments we plan to utilize the measurements on different proteins to analyze their internal motions in novel and innovative ways that fit into the current paradigm shift of structural biology emphasizing the role of dynamics of biomolecules.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Biomolecular dynamics is getting more and more attention among structural biologists. Atomic-level description of dynamical processes comes from NMR spectroscopy on the experimental side and can also be provided by molecular dynamics (MD) calculations. However, NMR.derived parameters are often hard to visualize, whereas MD does not ensure that the resulting ensembles are fully compatible with experimental data. Therefore, the use of MD complemented with experiment.derived restraints was proposed and applied successfully to proteins. The conformer sets calculated this way represent an atomic-level description of internal motions in agreement with experiments, thus, their analysis can yield valuable insights to the details of biomolecular processes. The resulting ensembles represent a novel type of models of protein structures which can be contrasted to static single-conformar descriptions. These novel models can be successfully applied to understand the exact dynamics of biomolecules and its role in interactions and pave the way for novel and innovative investigations that consider the dynamic nature of biomolecules.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Internal dynamics poses one of the biggest challenges in studies of biomolecular interactions. The main problem is that the different conformations may have different affinities toward the partner molecule, and selecting the most appropriate from a number of similar ones with slightly different energies is a non.trivial task. This is especially relevant in drug research where this particular problem can hardly be overcome in docking studies. The problem also persists in possible biotechnology applications where the exact description of dynamics and prediction of its changes upon amino acid replacements might be a key issue. The planned research will provide novel tools for the explicit, atomic-level modeling of internal dynamics. In addition, information on a number of real systems will also be available, aiding the precise formulation of questions and their more efficient solution.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Understanding life requires detailed description of its constituent molecules. These molecules can often be characterized by a unique shape which is key to their specific function: shape complementarity between partner molecules is a crucial factor in biomolecular interactions. From the last decade of the 20th century, however, a novel aspect is emerging, namely, the internal dynamics of these molecules, meaning their ability to change their shape. This lead to a paradigm shift among researchers who today consider internal motions as a decisive factor in determining their function. Our planned research focuses on better description of the internal motions of biomolecules by combining experimental data and simulations. We plan to develop currently available methods further and to apply them to a number of real proteins. We expect that our results will not only have theoretical significance but will also be applicable in the areas of drug research and biotechnology.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A támogatás segítségével létrehoztunk egy új, a biomolekulák szerkezeti-dinamikai jellemzésére szakosodott kutatócsoportot a PPKE ITK-n, Kutatásaink középpontjában a kísérletileg meghatározott, a belső mozgásokat jellemző paramétereket tükröző szerkezeti sokaságok állnak. A szabadon elérhető GROMACS programcsomagba számos olyan kiterjesztést integráltunk, amelyek kísérleti paramétereket megkötésként alkalmazó molekuladinamikai számításokat tesznek lehetővé. Az általunk készített publikus CoNSEnsX+ webszerver kifejezetten a kísérletesen meghatározott belső dinamikát tükröző fehérjeszerkezeti sokaságok elemzésére alkalmas. Ezen módszereket számos fehérjén mint modellrendszeren alkalmaztuk, melyek közül kiemelhető a PAF gombaellenes fehérje különböző körülmények között mutatott dinamikai viselkedésének értelmezése. Ezen kívül eredményeink hozzájárultak a parvulin típusú prolil cisz-transz izomeráz enzimek működését és szabályozását egységes keretbe foglaló kvalitatív modell felállításához. Ezen túl vizsgáltuk a fehérjeszekvenciákból becsülhető rendezetlenség, mint a dinamika egyik aspektusa egyes technikai és evolúciós vonatkozásait.
kutatási eredmények (angolul)
We have established a novel research group at PPCU FIT in the field of protein structure and dynamics. The focus of our research is on dynamic structural ensembles reflecting experimentally determined internal motions. We have integrated a number of methods for the inclusion of experimental parameters as restraints in the free molecular dynamics package GROMACS. We have also devised a web service, CoNSEnsX+, for the analysis of dynamic protein structural ensembles. We applied our methods in the study of a number of proteins, one of which is the dynamic behavior of the antifungal protein PAF under different conditions. Besides, our results led to a qualitative model offering a general framework for the explanation of the activity and regulation of parvulin-type peptidyl-prolyl cis-trans isomerases. In addition, we have analyzed several technical and evolutionary aspects of the prediction of intrinsic disorder - as a manifestation of internal dynamics - from protein sequences.
András Czajlik, Bertalan Kovács, Perttu Permi, Zoltán Gáspári: Fine-tuning the extent and dynamics of binding cleft opening as a potential general regulatory mechanism in parvulin-type peptidyl prolyl isomerases, SCI REP 7: , 2017
Christoph Sonderegger, Ádám Fizil, Laura Burtscher, Dorottya Hajdu, Alberto Muńoz, Zoltán Gáspári, Nick D Read, Gyula Batta, Florentine Marx: D19S mutation of the cationic, cysteine-rich protein PAF: novel insights into its structural dynamics, thermal unfolding and antifungal function, PLOS ONE 12: (1) , 2017
Dániel Dudola, Bertalan Kovács, Zoltán Gáspári: CoNSEnsX+ Webserver for the Analysis of Protein Structural Ensembles Reflecting Experimentally Determined Internal Dynamics, J CHEM INF MODEL 57: 1728-1734, 2017
Dudola Dániel, Tóth Gábor, Nyitray László, Gáspári Zoltán: Consensus Prediction of Charged Single Alpha-Helices with CSAHserver, In: Yaoqi Zhou, Andrzej Kloczkowski, Eshel Faraggi, Yuedong Yang (szerk.) (szerk.) Prediction of Protein Secondary Structure. New York: Springer, 2017. pp. 25-34. (Methods in Molecular Biology) 1484, 2017
Dobson László, Nyitray László, Gáspári Zoltán: A conserved charged single α-helix with a putative steric role in paraspeckle formation, RNA 21: (12) 2023-2029, 2015
Fizil A, Gaspari Z, Barna T, Marx F, Batta G: "Invisible" Conformers of an Antifungal Disulfide Protein Revealed by Constrained Cold and Heat Unfolding, CEST-NMR Experiments, and Molecular Dynamics Calculations., CHEM-EUR J 21: (13) 5136-5144, 2015
Gráf L, Molnár T, Kardos J, Gáspári Z, Katona G: The role of structural flexibility and stability in the interaction of serine proteases with their inhibitors, CURR PROTEIN PEPT SCI 16: (6) 521-531, 2015
Ángyán Annamária Franciska, Ortutay Csaba Péter, Gáspári Zoltán: Are proposed early genetic codes capable of encoding viable proteins?, J MOL EVOL 78: (5) 263-274, 2014
Zoltán Gáspári: Is five percent too small? Analysis of the overlaps between disorder, coiled coil and collagen predictions in complete proteomes, PROTEOMES 2: (1) 72-83, 2014
Annamária F Ángyán, Zoltán Gáspári: Ensemble-based interpretations of NMR structural data to describe protein internal dynamics, MOLECULES 18: (9) 10548-10567, 2013
Árpád Goretity, Zoltán Nagy, Zoltán Gáspári: Acceleration of a Protein Structure Comparison Algorithm on FPGA, In: Proceedings of the 23rd European Conference on Circuit Theory and Design (ECCTD 2017) . Catania, Olaszország, 2017.09.04-2017.09.06. Kiadvány: 2017. pp. 1-4., 2017
Zoltán Nagy, Zoltán Gáspári, Ákos Kovács: Accelerating a charged single alpha-helix search algorithm in protein sequences using FPGA, In: Tetzlaff R (szerk.) (szerk.) 15th International Workshop on Cellular Nanoscale Networks and their Applications: CNNA 2016. Berlin: VDE Verlag GmbH, 2016. pp. 117-118., 2016
László Gráf, Tamás Molnár, József Kardos, Zoltán Gáspári, Gergely Katona: The role of structural flexibility and stability in the interaction of serine proteases with their inhibitors, Curr. Prot. Pept. Sci. 6:521-531, 2015
László Dobson, László Nyitray, Zoltán Gáspári: A conserved charged single alpha-helix with a putative steric role in paraspeckle formation, RNA, accepted for publication, 2015
