Proteini ne samo da obavljaju funkcije koje su kritične za opstanak ćelija, već utiču i na razvoj i napredovanje bolesti. Da bi razumeli njihovu ulogu u zdravlju i bolestima, istraživači proučavaju trodimenzionalnu atomsku strukturu proteina koristeći i eksperimentalne i računarske metode.
Preko 75 procenata proteina prisutnih na površini naših ćelija pokriveno je glikanima. Ovi molekuli slični šećeru formiraju veoma dinamične zaštitne štitove oko proteina. Međutim, mobilnost i varijabilnost šećera otežava određivanje kako se ovi štitovi ponašaju ili kako utiču na vezivanje molekula leka.
Mateusz Sikora, vođa projekta i šef Dioscuri centra za modeliranje posttranslacionih modifikacija, i njegov tim u Krakovu i partneri na Institutu za biofiziku Maks Plank u Frankfurtu na Majni, Nemačka, rešili su ovaj izazov koristeći računare, radeći zajedno sa naučnici u Insermu u Parizu, Academia Sinica u Tapei i Univerzitetu u Bremenu.
Njihov moćni novi algoritam, GlicoSHIELD, omogućava brzo, ali realistično modeliranje lanaca šećera prisutnih na površini proteina. Smanjenjem radnih sati i, prema tome, potrošnje energije za nekoliko redova veličine u poređenju sa konvencionalnim alatima za simulaciju, GlicoSHIELD utire put ka zelenom računarstvu.
Rad je objavljen u časopisu Cell.
Zaštitni glikanski štitovi snažno utiču na interakciju proteina sa drugim molekulima, kao što su terapeutski lekovi. Na primer, sloj šećera na šiljastom proteinu koronavirusa skriva virus od imunog sistema tako što otežava prirodna antitela ili antitela izazvana vakcinom da prepoznaju virus.
Dakle, šećerni štitnici igraju važnu ulogu u razvoju lekova i vakcina. Farmaceutska istraživanja bi mogla imati koristi od rutinskog predviđanja njihove morfologije i dinamike. Do sada je, međutim, predviđanje strukture slojeva šećera pomoću kompjuterskih simulacija bilo moguće samo uz stručno znanje specijalnih superkompjutera. U mnogim slučajevima bile su potrebne hiljade ili čak milioni računarskih sati.
Sa GlicoSHIELD-om, Sikorin tim pruža brzu, ekološki prihvatljivu alternativu otvorenog koda. „Naš pristup smanjuje resurse, vreme računara i potrebnu tehničku ekspertizu“, kaže Sikora.
„Svako sada može da izračuna raspored i dinamiku molekula šećera na proteinima na svom ličnom računaru u roku od nekoliko minuta, bez potrebe za stručnim znanjem i kompjuterima visokih performansi. Štaviše, ovaj novi način proračuna je veoma energetski efikasan.“ Softver se ne može koristiti samo u istraživanju, već bi mogao biti od pomoći i za razvoj lekova ili vakcina, na primer, u imunoterapiji za rak.
Kako je tim uspeo da postigne tako visok porast efikasnosti? Autori su kreirali i analizirali biblioteku od hiljada najverovatnije 3D poza najčešćih oblika lanaca šećera na proteinima koji se nalaze u ljudima i mikroorganizmima. Koristeći duge simulacije i eksperimente, otkrili su da je za pouzdano predviđanje glikanskih štitova dovoljno da se vezani šećeri ne sudaraju sa membranama ili delovima proteina.
Algoritam se zasniva na ovim nalazima. „Korisnici GlioSHIELD-a samo moraju da navedu protein i lokacije na kojima su šećeri pričvršćeni. Naš softver ih zatim postavlja u zagonetku na površini proteina u najverovatnijem rasporedu“, objašnjava Sikora. „Mogli bismo tačno da reprodukujemo šećerne štitove proteina šiljaka: izgledaju tačno kao ono što vidimo u eksperimentima.“
Sa GlicoSHIELD-om, sada je moguće dopuniti nove, kao i postojeće strukture proteina informacijama o šećeru. Naučnici su takođe koristili GlicoSHIELD da otkriju obrazac šećera na GABAA receptoru, važnoj meti za sedative i anestetike.
