Počítačové modelování komplexů nukleových kyselin a proteinů

• Název práce v češtině: Počítačové modelování komplexů nukleových kyselin a proteinů
• Název v anglickém jazyce: Computational modeling of complexes consisting of nucleic acids and proteins
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: diplomová práce
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Ivan Barvík, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 14.04.2022
• Datum zadání: 19.04.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 26.04.2022

Zásady pro vypracování

1) Prostudovat určenou literaturu a sepsat rešerši: 

- struktura nukleových kyselin a proteinů 
- struktura, dynamika, funkce a medicínský význam proteinů interagujících s nukleovými kyselinami (DNA a RNA polymerázy, RNáza H, Argonaute, CRISPR-Cas9, zinkové prsty atd.)
- klasické molekulárně-dynamické simulace biomolekul
- výpočty volné energie
- QMMM výpočty 

2) Osvojit si metodiku molekulárně-dynamických simulací - prakticky zvládnout práci se softwarovými balíky VMD, NAMD, Gaussian, ORCA. 

3) Provést molekulárně-dynamické simulace modelových systémů sestávajících z vybraného proteinu, nukleové kyseliny a vodní obálky – dohromady cca. 25-100.000 atomů. 

4) Nasimulované trajektorie analyzovat.

5) Získané výsledky diskutovat z hlediska potenciálního medicínského využití.
 

Seznam odborné literatury

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

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

3. 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 

4. Phillips J. C. et al.: Scalable molecular dynamics on CPU and GPU architectures with NAMD. J. Chem. Phys. 153 (2020) 044130

5. Chen H., Maia J. D. C., Radak B. K., Hardy D. J., Cai W., Chipot C. and Tajkhorshid E.: Boosting Free-Energy Perturbation Calculations with GPU-Accelerated NAMD. J. Chem. Inf. Model. 60 (2020) 5301-5307

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

7. 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 

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

9. Seeliger D., Buelens F. P., Goette M., de Groot B. L. and Grubmuller H.: Towards computational specificity screening of DNA-binding proteins. Nucleic Acids Research 39 (2011) 8281-8290

10. Goette M., Grubmuller H.: Accuracy and Convergence of Free Energy Differences Calculated from Nonequilibrium Switching Processes. J. Comput. Chem. 30 (2009) 447-456

11. Khabiri M. and Freddolino P. L.: Deficiencies in Molecular Dynamics Simulation-Based Prediction of Protein-DNA Binding Free Energy Landscapes. J. Phys. Chem. B 121 (2017) 5151-5161

12. Presnell K. V. and Alper H. S.: Thermodynamic and first-principles biomolecular simulations applied to synthetic biology: promoter and aptamer designs. Mol. Syst. Des. Eng. 3 (2018) 19-37


 

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. 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. Obdobně krátké vlákno RNA s vhodnou sekvencí bází může navést enzym CRISPR-Cas9 na specifické místo v DNA a vyvolat štěpení obou jejích vláken vedoucí k vypnutí či editaci konkrétního genu.

Tzv. CRISPR (Clustered regularly interspaced palindromic repeats) jsou úseky prokaryotické DNA, které jsou součástí imunitního systému bakterií [1-2]. Tyto úseky obsahují útržky DNA virů, které bakterii v minulosti napadly. Na jejich základě dochází k syntéze krátkých vláken RNA, které pak na základě komplementarity bazí navádí nukleázu (např. Cas9) na virovou DNA, jejíž obě vlákna nukleáza přeštípne. Objev CRISPRu [1], pochopení mechanismu jeho fungování (2012 [3]) a důkaz, že může být použit k editaci lidského genomu (2013 [4-5]), tvoři jeden z největších převratů v molekulární biologii. Po dopravení Cas9 nukleázy spolu s naváděcí gRNA do lidské buňky dojde k přestřihnutí DNA v požadovaném místě, takže je možné určitý gen poškodit - vyřadit - vypnout, popř. opravit či nahradit. To otevírá obrovské možnosti z hlediska medicínského uplatnění. Důležité ovšem je, aby zásah do genomu proběhl výhradně na předem zvoleném místě, kde komplementarita mezi naváděcí gRNA a lidskou DNA bude stoprocentní. Nativní Cas9 ovšem někdy přestřihne i DNA s velmi podobnou sekvencí bazí. V literatuře se proto objevily studie, kdy byla přesnost Cas9 zvýšena prostřednictvím bodových mutací (výměna aminokyselin) popř. chemickými modifikacemi gRNA.

Základem pro počítačové modelování biomolekul jsou krystalové struktury v tzv. proteinové databance. Dynamiku těchto biomolekul je možné zkoumat prostřednictvím metody molekulárně-dynamických (MD) simulací, která spočívá v numerickém řešení klasických pohybových rovnic. Silové působení mezi atomy je přitom popsáno pomocí tzv. silového pole naparametrizovaného prostřednictvím kvantově-chemických výpočtů. 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 komplexů nukleových kyselin a medicínsky zajímavých proteinů.

V rámci diplomové práce bude zkoumána struktura a dynamika vybraného medicínsky zajímavého proteinu obklopeného vodní obálkou a jeho interakce s nukleovými kyselinami. MD simulace budou realizovány v superpočítačovém MetaCentru. 

Předpokládané znalosti:
 
Kvantová mechanika na úrovni základních kursů, hlubší zájem o numerické zpracování složitých úloh na moderních počítačích, pasivní znalost angličtiny.

1. E. S. Lander
The Heroes of CRISPR.
Cell 164 (2016) 18-28

2. H. Ledford
The unsung heroes of CRISPR.
Nature 535 (2016) 342-344

3. M. Jinek, K. Chylinski, I. Fonfara, M. Hauer, J. A. Doudna, E. Charpentier
A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity.
Science 337 (2012) 816-821

4. Le Cong, F. A. Ran, D. Cox, S. Lin, R. Barretto, N. Habib, P. D. Hsu, X. Wu, W. Jiang, L. A. Marraffini, F. Zhang
Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems.
Science 339 (2013) 819-823

5. P. Mali, L. Yang, K. M. Esvelt, J. Aach, M. Guell, J. E. DiCarlo, J. E. Norville, G. M. Church
RNA-Guided Human Genome Engineering via Cas9.
Science 339 (2013) 823-826