Témata prací (Výběr práce)Témata prací (Výběr práce)(verze: 368)
Detail práce
   Přihlásit přes CAS
Počítačové modelování komplexů RNA-dependentní RNA polymerázy viru Zika a analog NTP
Název práce v češtině: Počítačové modelování komplexů RNA-dependentní RNA polymerázy viru Zika a analog NTP
Název v anglickém jazyce: Computational modeling of complexes consisting of the Zika virus RNA-dependent RNA polymerase and NTP analogs
Klíčová slova: molekulární dynamika, RNA polymeráza, virus Zika, FEP, MDFF
Klíčová slova anglicky: molecular dynamics, RNA polymerase, ZIKV, FEP, MDFF
Akademický rok vypsání: 2016/2017
Typ práce: bakalářská práce
Jazyk práce: čeština
Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
Vedoucí / školitel: RNDr. Ivan Barvík, Ph.D.
Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
Datum přihlášení: 29.11.2016
Datum zadání: 08.03.2017
Datum potvrzení stud. oddělením: 20.03.2017
Datum a čas obhajoby: 12.09.2017 00:00
Datum odevzdání elektronické podoby:18.07.2017
Datum odevzdání tištěné podoby:18.07.2017
Datum proběhlé obhajoby: 12.09.2017
Oponenti: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D.
 
 
 
Zásady pro vypracování
1) Prostudovat určenou literaturu a sepsat rešerši: 

- struktura nukleových kyselin a proteinů [1]
- transkripce a translace genetické informace 
- struktura, dynamika, funkce a inhibice virových RNA-dependentních RNA polymeráz [2-8]
- molekulárně-dynamické simulace [9-11]
- výpočet vazebné volné energie [12-13]

2) Osvojit si metodiku molekulárně-dynamických simulací - prakticky zvládnout práci se softwarovými balíky VMD [14], NAMD [15] a Gaussian [16-18]. 

3) Provést v superpočítačovém MetaCentru [19] molekulárně-dynamické simulace modelových systémů sestávajících z RdRp, analog NTP a vodní obálky. 

4) Nasimulované trajektorie kvantitativně analyzovat. 

5) Diskutovat získané výsledky z hlediska jejich využití při racionálním návrhu struktury potenciálních léků. 
Seznam odborné literatury
Seznam odborné literatury:

1. http://www.pdb.org/pdb/home/home.do 

2. Hercík K., Kozak J., Šála M., Dejmek M., Hřebabecký H., Zborníková E., Smola M., Ruzek D., Nencka R., Boura E.:
Adenosine triphosphate analogs can efficiently inhibit the Zika virus RNA-dependent RNA polymerase. Antiviral Research 137 (2017) 131-133

3. Appleby T. C., Perry J. K., Murakami E., Barauskas O., Feng J., Cho A., Fox III D., Wetmore D. R., McGrath M. E., Ray A. S., Sofia M. J., Swaminathan S., Edwards T. E.: Structural basis for RNA replication by the hepatitis C virus polymerase. Science 347 (2015) 771-775

4. Duan W., Song H., Wang H., Chai Y., Su C., Qi J., Shi Y., Gao G. F.: The crystal structure of Zika virus NS5 reveals conserved drug targets. The EMBO Journal (2017)

5. Priet S., Zlatev I., Barvík Jr. I., Geerts K., Leyssen P., Neyts J., Dutartre H., Canard B., Vasseur J.J., Morvan F., Alvarez K.: 3'-Deoxy phosphoramidate dinucleosides as improved inhibitors of hepatitis C virus subgenomic replicon and NS5B polymerase activity. Journal of Medicinal Chemistry, 2010, vol. 53, p. 6608-6617.

6. Zlatev I., Dutartre H., Barvík Jr. I., Neyts J., Canard B., Vasseur J.J., Alvarez K., Morvan F.: Phosphoramidate dinucleosides as hepatitis C virus polymerase inhibitors. Journal of Medicinal Chemistry, 2008, vol. 51, p. 5745-5757.

7. Maláč K., Barvík Jr. I.: Substrate recognition by norovirus polymerase: microsecond molecular dynamics study. Journal of Computer-Aided Molecular Design, 2013, vol. 27, p. 373-388.

8. Rosenberg I. Chemie fosfonátových analogů nukleotidů a oligonukleotidů – stručná reminiscence a současnost. Chemické Listy 108 (2014) 375-386

9. Leach A. R.: Molecular Modelling: Principles and Applications. Pearson Education Limited: Harlow, 2001, ISBN 0582382106 

10. Frenkel D., Smit B.: Understanding Molecular Simulations: From Algorithms to Applications. Academic Press: San Diego, 2001, ISBN 0122673514 

11. Phillips J. C., Braun R., Wang W., Gumbart J., Tajkhorshid E., Villa E., Chipot C., Skeel R. D., Kale L., Schulten K.:  Scalable Molecular Dynamics with NAMD. J. Comput. Chem. 26 (2005) 1781-1802 

12. Chipot Ch., Pohorille A.: Free Energy Calculations: Theory and Applications in Chemistry and Biology. Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2007, ISBN: 9783540384472 

13. Straatsma T. P. and McCammon J. A.: Computational Alchemy. Annu. Rev. Phys. Chem. 43 (1992) 407-35

14. http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ 

15. http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/ 

16. Jensen F.: Introduction to Computational Chemistry. John Wiley & Sons Ltd.: West Sussex, 2007, ISBN: 0470058048 

17. Mayne C. G., Saam J., Schulten K., Tajkhorshid E., and Gumbart J. C.: Rapid Parametrization of Small Molecules Using the Force Field Toolkit J. Comput. Chem. 34 (2013) 2757-2770 

18. http://www.gaussian.com/ 

19. http://metavo.metacentrum.cz/ 
Předběžná náplň práce
Upoutávka

V posledních letech došlo k zásadnímu přehodnocení úlohy, jakou mají nukleové kyseliny v metabolismu buňky. V roce 1998 byla objevena tzv. RNA interference, kdy krátká vlákna siRNA či miRNA molekul selektivně zamezují expresi genetické informace z mRNA. V roce 2006 získali objevitelé RNAi - A. Fire a C. Mello - Nobelovu cenu. Nedlouho poté bylo zjištěno, že krátké nukleové kyseliny se nacházejí i v tzv. exosomech či dokonce volně cirkulují v krvi pouze v komplexu s enzymem Argonaute, což buňkám umožňuje prostřednictvím RNAi „přeprogramovat“ okolní buňky (např. při šíření metastáz či při imunitní reakci). V posledních letech se dále ukazuje, že drtivá většina lidské DNA je transkribována, přičemž dochází k produkci obrovského množství různě dlouhých molekul RNA (od krátkých miRNA až po tzv. long non-coding RNA) ovlivňujících expresi genetické informace. Ještě před pár lety byla přitom za užitečná považována pouze 2% DNA kódující geny. To jak buňka prostřednictvím regulačních RNA ovládá expresi genetické informace z DNA se stalo inspirací pro vývoj potenciálních léků.

Krátká syntetická vlákna chemicky modifikovaných nukleových kyselin (tzv. antisense oligonukleotidy) mohou totiž tvořit dvoušroubovicovité komplexy s mRNA a selektivně tak inhibovat expresi genetické informace z vybraného konkrétního genu [1-6]. To může být podstatně efektivnější než inhibice výsledných proteinů prostřednictvím malých molekul (klasické léky). V baktériích pak mohou antisense oligonukleotidy komplexovat s rRNA a znemožnit tak translaci genetické informace ribosomy. Antisense oligonukleotidy mohou navíc prostřednictvím enzymů RNáza H a Argonaute vyvolat degradaci cílové mRNA či rRNA [1-2]. Chemicky modifikované oligonukleotidy je dále možné využít k tomu, aby imitovaly přítomnost virové RNA v buňce a stimulovaly imunitní systém prostřednictvím interakce s tzv. Toll-like receptorem 9. Chemicky modifikované 25-oligoadenyláty je možné využít k vyvolání dimerizace enzymu RNáza L, který degraduje virovou RNA [7]. Analoga dinukleotidů či nukleotidů pak mohou působit jako inhibitory virové či bakteriální RNA polymerázy atd [8-12].

Chemicky modifikované nukleové kyseliny (od nukleosidů, přes dinukleotidy, tetranukleotidy až po vlákna o délce 10-25 nukleotidů) tedy mohou být rozmanitým způsobem využity jako chemoterapeutika. Chemické modifikace je obvykle učiní stabilními v prostředí buňky. Počítačové modelování pak může významně napomoci při optimalizaci chemických modifikací tak, aby výsledné molekuly optimálně interagovaly s enzymy (virovou RNA dependentní RNA polymerázou, RNázou L, RNázou H, enzymem Argonaute atd.). Na Fyzikálním Ústavu MFF UK v tomto ohledu již mnoho let spolupracujeme [1-5, 7, 10] s organickými chemiky z UOCHB AV ČR, kteří syntetizují fosfonátová analoga nukleových kyselin obahující P-C vazbu [1, 3-5, 13-15], tedy motiv, který se osvědčil u úspěšných antivirotik na bázi acyklických fosfonátů [13].

Základem pro naše počítačové modelování jsou krystalové struktury v tzv.  proteinové databance [16]. Na základě nich je možné vytvářet tzv. homologní modely sekvenčně či strukturně blízkých proteinů [17]. Dynamiku těchto modelů je možné zkoumat prostřednictvím metody molekulárně-dynamických (MD) simulací, která spočívá v numerickém řešení klasických pohybových rovnic [18-25]. Silové působení mezi atomy je přitom popsáno pomocí tzv. silového pole naparametrizovaného prostřednictvím kvantově-chemických výpočtů [26-28]. Základy metodiky MD simulací biomolekul položili nositelé Nobelovy ceny za chemii z roku 2013 (A. Warshel, M. Karplus, M. Levitt) v první polovině sedmdesátých let. Tzv. alchymistické molekulárně-dynamické simulace pak umožňují precizně postihnout relativní rozdíly ve vazebné volné energii různě modifikovaných nukleových kyselin do vazebného místa medicínsky zajímavého proteinu [29-30].

V rámci bakalářské práce bude zkoumána struktura a dynamika vybraného proteinu obklopeného vodní obálkou a jeho interakce s ligandy na bázi chemicky modifikovaných nukleových kyselin. MD simulace budou realizovány v superpočítačovém MetaCentru [31]. 

Předpokládané znalosti:
 
Kvantová mechanika na úrovni základních kursů, hlubší zájem o numerické zpracování složitých úloh na moderních počítačích, pasivní znalost angličtiny. 
 
Univerzita Karlova | Informační systém UK