V rámci dizertačnej práce Mgr. Jána Michaela Kormaníka plánujeme vyvinúť unikátny súbor počítačových programov a nástrojov, ktoré budú pracovať s databázou proteínov Protein Data Bank (PDB). PDB je najväčším zdrojom trojrozmerných proteínových štruktúr. Zároveň sa budú využívať ďalšie databázy vytvorené v našej skupine za posledné tri roky (P-CONF_1.6M a PeptideCS 400M), ktoré obsahujú veľké množstvo vzoriek mono-, di- a tripeptidových konformérov. Tieto počítačové programy, ktoré môžu byť ďalej podporené algoritmami založenými na AI/ML, sa pokúsia vytvoriť stabilné peptidové foldy, ktoré by viazali kovové ióny a napodobňovali aktívne miesta mono- alebo binukleárnych metaloproteínov so známym reakčným mechanizmom. Výsledné štruktúry budú poloautomatickým spôsobom ďalej spracované externými kvantovo‑mechanickými a molekulárno‑mechanickými (QM a QM/MM) programami spojenými s centrálnou časťou tohoto nového počítačového kódu. To nám umožní získať teoreticky spoľahlivé odhady stability výsledných metalopeptidov v prirodzenom prostredí (t.j. vo vode) z hľadiska skladania peptidu i z hľadiska koordinácie kovového iónu. Prvé hľadisko bude kvantifikované odhadom energie vynaložené na poskladanie peptidu z natívnej konformácie do konformácie viažucej kov, zatiaľ čo v prípade druhého hľadiska použijeme protokoly DFT/COSMO-RS vyvinuté v našej skupine na výpočty presných konštánt stability iónov kovu. Na dosiahnutie stabilnej metalopeptidovej štruktúry musia byť nepriaznivé energetické a entropické náklady na poskladanie peptidu do vopred definovanej konformácie aktívneho miesta kompenzované priaznivou (voľnou) energiou spojenou s komplexáciou kovového iónu v predorganizovanom (zloženom) stave. Na základe našich predbežných štúdií očakávame získanie niekoľkých desiatok metalopeptidov pre konkrétne aktívne miesto. Tieto počítačom navrhnuté miesta budú potom ďalej testované výpočtom profilov voľnej energie natívnych enzymatických reakcií s modelovými substrátmi. Najlepší kandidáti (t.j. peptidy s rozmerom 30-40 aminokyselín) budú syntetizované a komplexované s cieľovými kovovými iónmi a ich aktivita bude experimentálne stanovená v laboratóriách našich spolupracovníkov. Úspešné dokončenie projektu môže predstavovať premostenie medzi klasickými (napr. organokovovými) katalyzátormi na jednej strane a „biotechnologickými aplikáciami“ využívajúcimi natívne metaloenzýmy v plnej dĺžke na strane druhej. Stručne povedané, skonštruovanie minimalistického „funkčného metalopeptidu“ by samo o sebe predstavovalo veľmi zaujímavý fenomén, ktorý môže zodpovedať jednu z hlavných otázok bioanorganickej chémie: „Skutočne musí príroda používať veľké komplexné proteíny s niekoľkými stovkami aminokyselín, aby prebehla katalýza obmedzená na relatívne malé aktívne miesto?“
Preliminary scope of work in English
Within the Ph.D. project of Ján Michael Kormaník, MSc., we plan to develop a unique set of computer programs and tools that will operate on top of the Protein Data Bank (PDB). The PDB is the largest source of three-dimensional protein structures. At the same time, other databases, compiled in our group over the past three years (P-CONF_1.6M and PeptideCS 400M), containing exhaustive samples of mono-, di-, and tripeptide conformers, will be exploited. These computer programs, that may be further supported by the AI/ML-based algorithms, will thus attempt to create stable peptide folds that would bind metal ions and mimic the active sites of mono- or binuclear metalloproteins with known reaction mechanism. The resulting structures will be, in a semi-automatic fashion, processed by external quantum mechanical and molecular mechanical (QM and QM/MM) programs linked to the central part of the new computer code. This will enable us to obtain theoretically solid estimates of stability of the resulting metallopeptides in their native environment (i.e., water), both on the peptidic side and on the side of the metal ion coordination. The former will be quantified by estimating the energetic cost of folding of the peptide into the ‘metal-binding conformation’ whereas for the latter, we will employ DFT/COSMO-RS protocols developed in our group for calculations of accurate stability constants of metal ions. In order to obtain a stable metallopeptide structure, the unfavourable energy and entropy cost of folding a peptide into the predefined active-site conformation must be compensated by favourable (free) energy associated with metal-ion complexation in the pre-organized (folded) state. Based on our preliminary data, we expect to obtain several dozen metallopeptides for a particular active site. These computer-designed sites will be then further probed by calculating the free energy profiles of the native enzymatic reactions with model substrates. The best candidates (i.e., peptides up to 30-40 amino acids) will be synthesized and complexed with target metal ions and their activity experimentally determined in our collaborators’ laboratories. Successful accomplishment of the project may represent a bridge between the classical (e.g., organometallic) catalysts on the one hand and ‘biotechnological applications’ utilizing native full-length metalloenzymes on the other. In summary, constructing a minimalistic ‘functional metallopeptide’ would represent a very interesting phenomenon "per se" that may answer one of the principal questions of bioinorganic chemistry: ‘Does nature, indeed, have to use large complex proteins of several hundred amino acids to carry out the catalysis confined to a relatively small active site?’
- assigned by the advisor