Dr Mateusz Sikora z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego opracował rewolucyjne podejście do szybkiej wizualizacji białek i cukrów. To efekt algorytmu GlycoSHIELD opracowanego dzięki polsko-niemieckiej współpracy naukowej w Centrum Dioscuri Maxa Plancka, powstałym w 2023 roku w Małopolskim Centrum Biotechnologii UJ.
Łańcuchy cukrowe (glikany), które pokrywają powierzchnie białek w naszym organizmie, wpływają na ich interakcje z innymi cząsteczkami. Dlatego znajomość glikanów odgrywa ważną rolę m.in. przy tworzeniu nowych leków. Ze względu na dużą zmienność i ruchliwość cukrów badania doświadczalne są bardzo złożone. Symulacje komputerowe, które pozwalają zobrazować, jak glikany pokrywają powierzchnie białek, wymagają setek tysięcy godzin na przeznaczonych do tego superkomputerach, co nie pozwala na ich rutynowe użycie np. w procesie tworzenia nowych leków.
Odpowiedzią na te wyzwania może być GlycoSHIELD – bardzo wydajny algorytm, który w ciągu minut przewiduje, jak cukry pokrywają powierzchnie białek. Został on wynaleziony dzięki polsko-niemieckiej współpracy naukowej w Centrum Dioscuri Maxa Plancka powstałym w 2023 roku w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Zrozumieć białka
Aby zrozumieć, jak funkcjonują białka i jak wpływają na rozwój i postęp chorób, naukowcy badają ich trójwymiarową strukturę. Oprócz metod eksperymentalnych używają również metod obliczeniowych. Dla przykładu, algorytm sztucznej inteligencji Alphafold potrafi określić strukturę przestrzenną białka z sekwencji budujących je indywidualnych elementów, czyli aminokwasów.
Jednakże ponad 75% wszystkich białek nie składa się wyłącznie z aminokwasów. Powierzchnia tych białek jest niejako "ozdobiona" łańcuchami cukrowymi, które tworzą wokół nich niezwykle dynamiczne "tarcze". Nadal nie wiemy do końca, jak te tarcze się zachowują, ani jaki mają wpływ na wiązanie się cząsteczek lekowych. Symulacja morfologii tych cukrów jest trudna ze względu na ich ruchliwość.
Podejmując to naukowe wyzwanie, dr Mateusz Sikora, kierujący Centrum Dioscuri do Modelowania Modyfikacji Potranslacyjnych oraz jego zespól afiliowany w Krakowie i Instytucie Biofizyki Maxa Plancka we Frankfurcie nad Menem, we współpracy z grupami dr. Cyryla Hanusa z Inserm w Paryżu i dr. Dnny’ego Hsu z Academia Sinica na Tajwanie, opracowali algorytm GlycoSHIELD. Oprogramowanie to umożliwia szybką wizualizację łańcuchów cukrowych na powierzchni białek. Naukowcy opublikowali nową metodę w renomowanym czasopiśmie Cell.
Minuty zamiast tysięcy godzin
Sięgnijmy po przykład. Cukrowa warstwa na białku kolca koronawirusa SRAS-CoV-2 ukrywa go przed układem odpornościowym, utrudniając przeciwciałom przyczepienie się w celu pozbycia się patogenu. Jak dotąd przewidywanie struktury warstw cukrowych za pomocą symulacji komputerowych wymagało eksperckiej wiedzy i milionów godzin obliczeniowych na specjalnych superkomputerach.
Tymczasem opracowany przez zespół dr. Sikory algorytm GlycoSHIELD przełamuje te ograniczenia, stanowiąc przy tym w stosunku do wcześniej stosowanych metod nie tylko szybszą, ale też bardziej ekologiczną alternatywę. Jak podkreśla dr Sikora: "Nasze podejście redukuje zużycie zasobów, czas obliczeniowy oraz potrzebną wiedzę techniczną. Teraz każdy, w ciągu kilku minut, może na swoim komputerze osobistym, lub też używając naszej aplikacji online zwizualizować rozkład i dynamikę zachowań cząsteczek cukru na białkach. Nie potrzeba do tego ani specjalistycznej wiedzy, ani komputerów wysokiej wydajności” – przekonuje naukowiec z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ. Stworzone oprogramowanie może być pomocne przy opracowywaniu nowych szczepionek, leków i zaawansowanych terapii, na przykład immunoterapii nowotworowej.
Cukrowe puzzle
Jak zespołowi udało się osiągnąć tak duży wzrost efektywności symulacji? Autorzy stworzyli i przeanalizowali bibliotekę tysięcy najczęściej spotykanych form 3D łańcuchów cukrowych występujących u ludzi i mikroorganizmów. Używając pełnoekranowych symulacji dynamiki molekularnej i doświadczeń, badacze odkryli, że dla wiarygodnego przewidywania tarcz glikanowych wystarczy, że dołączone modele cukrów nie kolidują z błonami biologicznymi lub częściami białka. Algorytm opiera się na tych wnioskach. "Użytkownicy GlyoSHIELD muszą tylko określić białko i miejsca, gdzie cukry są dołączone. Nasze oprogramowanie następnie doczepia je na powierzchni modelu białka w najbardziej prawdopodobnym układzie” - wyjaśnia dr Sikora. "Mogliśmy bardzo dobrze odtworzyć tarcze cukrowe białka kolca; wyglądają dokładnie tak, jak to, co widzimy w naszych doświadczeniach!" – komentuje naukowiec z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Dzięki GlycoSHIELD możliwe jest teraz uzupełnienie struktur glikoprotein o informacje o cukrach. Autorzy użyli również GlycoSHIELD do ujawnienia wzoru cukrów na receptorze neuroprzekaźników GABA, istotnym dla anestezjologii i działania środków uspokajających. GlycoSHIELD jest dostępny jako aplikacja internetowa.
Sukces Centrum Dioscuri
Centra Dioscuri, zainicjowane przez Stowarzyszenie Maxa Plancka, mają na celu utworzenie i wspieranie centrów doskonałości naukowej w Europie Środkowej i Wschodniej. Od maja 2023 roku, Mateusz Sikora, wcześniej postdok w Instytucie Biofizyki Maxa Plancka, otrzymuje wsparcie finansowe w ramach tej inicjatywy jako szef Centrum Dioscuri do Modelowania Modyfikacji Potranslacyjnych na Uniwersytecie Jagiellońskim. Niemieckim partnerem dr. Sikory jest grupa prof. Gerharda Hummera, kierownika Departamentu Biofizyki Teoretycznej oraz dyrektora w Instytucie Biofizyki Maxa Plancka we Franfurcie nad Menem. Badania dr. Sikory nie byłby możliwe, gdyby nie współpraca z tajwanska instytucją naukową Academią Sinica, francuskim instytutem Inserm, oraz uniwersytetem w Bremen w Niemczech.
Opracowanie oraz opublikowanie algorytmu GlycoSHIELD po niespełna roku działania Centrum, to niewątpliwy naukowy sukces, ukazujący Polskę jako atrakcyjne miejsce do prowadzenia badań na światowym poziomie.
"Publikacja wyników prac badawczych w prestiżowym czasopiśmie Cell jest ważnym wydarzeniem w życiu naukowym Uniwersytetu Jagiellońskiego i potwierdza, że obszar nauk biologicznych reprezentowany na naszej uczelni osiąga najwyższe standardy światowe. Sukces tej miary nie jest rzecz jasna przypadkiem, a wynikiem długoletniej strategii naukowej Uniwersytetu, który dbając o jakość prowadzonych badań, promuje najbardziej ambitne projekty skupione w centrach doskonałości. Pod tym pojęciem rozumiem zespoły badaczy realizujące prestiżowe granty finansowane np. przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, czy Towarzystwo Maxa Plancka, których wyniki są szeroko rozpoznawalne w świecie naukowym i publikowane w renomowanych czasopismach i wydawnictwach. Serdecznie gratuluję dr. Mateuszowi Sikorze i jego współpracownikom tego osiągnięcia, które powstało w założonym niespełna rok temu Centrum Dioscuri Maxa Plancka specjalizującym się w badaniach z zakresu bioinformatyki” – komentuje sukces dr. Sikory prorektor ds. badań naukowych UJ prof. Piotr Kuśtrowski.
Tekst polski i jego tłumaczenie powstały na bazie
notatki prasowej Instytutu Maxa Plancka, (C) Katharina Kaefer)
Zdjęcie: Katarzyna Wrona
Dodatkowe informacje
Dzięki współpracy z Max Planck Computing and Data Facility, algorytm GlycoSHIELD jest dostępny jako aplikacja online glycoshield.eu
Strony internetowe Centrum Dioscuri do Modelowania Modyfikacji Potranslacyjnych:
- https://www.biophys.mpg.de/dioscuri-centre-for-modelling-of-posttranslational-modifications
- https://mcb.uj.edu.pl/sikora-lab
Pełna treść artykułu w czasopiśmie Cell:
