Kemijski inštitut: mutacija encima in agresivno vedenje

Računalniške simulacije kemijskih procesov naj bi pomagale pri diagnosticiranju in zdravljenju bolezni centralnega živčnega sistema.

pon, 22.02.2016, 08:00

Računalniške simulacije kemijskih in fizikalnih procesov pomagajo raziskovalcem na Kemijskem inštitutu v Ljubljani pri razumevanju centralnega živčnega sistema. Zmogljiva oprema pa je osnova opisane računske metode, zato si obetajo, da bodo z novim računalnikom s 1400 procesorskimi jedri lahko razvijali nove projekte, denimo o posttravmatskem sindromu v povezavi z encimi.

»Vse je v razumevanju, kako delujejo in reagirajo biološke molekule, zato si pomagamo z metodami računalniške molekularne simulacije«, pojasnjuje dr. Janez Mavri, vodja laboratorija za računalniške bioznanosti in bioinformatiko na ljubljanskem Kemijskem inštitutu.

Biomolekularne simulacije že dolgo razvijajo, v zadnjem desetletju pa še intenzivneje, zlasti po tem, ko se je dr. Mavri kot Fulbrightov štipendist vrnil z usposabljanja pri profesorju Ariehu Warshlu na Univerzi Južna Karolina v Los Angelesu. Warshel je leta 2013 skupaj s soavtorjema prejel Nobelovo nagrado za vpeljavo večnivojskih računalniških simulacij v kemijo. Njegova devetčlanska ekipa raziskovalcev pa še danes tesno sodeluje z Mavrijevo multidisciplinarno šestčlansko ekipo. Metode prof. Warshela so, kot pravi dr. Mavri, prenesli v Slovenijo in jih uporabili na sistemih, pomembnih za centralni živčni sistem.

In zakaj so računalniške simulacije v vzponu povsod po svetu? Samo zaradi Nobelove nagrade? Glavni vzroki so njihova velika uporabnost pri razumevanju reaktivnosti in načrtovanju zdravilnih učinkovin ter v hitrosti in nižjih stroških v primerjavi z eksperimenti v laboratorijih. Če želijo laboratorijsko ovrednotiti vpliv mutacije v določenem encimu, ki je zakodiran v DNK, morajo eksperimentalisti najprej z zahtevnim in dragim postopkom genskega inženiringa pripraviti mutirane encime v zadostnih količinah. Šele potem lahko ugotavljajo hitrost reakcije. V primerjavi z opisanim so simulacije na računalnikih cenejše, a prav tako omogočajo napovedovanje, kako hitro bo tekla kemijska reakcija, če spremenijo en aminokislinski ostanek v encimu.

Pomembna pridobitev raziskovalcev na Kemijskem inštitutu na področju biomedicinskih in fizikalnih simulacij v molekulah in atomih je računalniška gruča s 1400 procesorji. »Kupili smo samo komponente in tako je investicija znašala blizu 300.000 evrov. Vse drugo pri strojni in programski opremi pa smo naredili sami, največ Deni Bačič,« pove dr. Mavri.

Omeni še, da naj bi kmalu na reški univerzi odprli podobno računalniško gručo (cluster). Reška gruča računalnikov s 6000 procesorskimi jedri je v primerjavi z ljubljansko s 1400 procesorskimi jedri, kot ocenjujejo, sicer osemkrat zmogljivejša, je pa hkrati tudi dvajsetkrat dražja. Hrvati so jo kupili »na ključ« in zanjo plačali 6,5 milijona evrov, veliko pridobitev pa naj bi kmalu odprla kar hrvaška predsednica države.

Usodni encim MAO

Dr. Mavri: »Biomedicinske simulacije so pravzaprav matematično iskanje odgovorov na vprašanja o delovanju zapletenih sistemov v človeškem organizmu. Pogovarjamo se, recimo, o tem, kako hitro potuje ion skozi ionski kanal, ali lahko to zavremo z lokalnim anestetikom in kako hitro poteka encimska reakcija. Večina farmakološkega zdravljenja je namreč takšna, da veže zdravilo oziroma učinkovino na biološko makromolekulo in spremeni njeno funkcijo.«

Prizadevajo si »razumeti zadeve« na molekularnem nivoju, niso pa še na tej stopnji, da bi simulirali celotni centralni živčni sistem oziroma možgane v celoti z atomsko ločljivostjo. Zakaj ne? »Ker so računalniki še veliko prepočasni. Naša osnovna naloga je razumevanje, kako hitro delajo encimi in kako močno se veže določen inhibitor, torej zdravilna učinkovina na biološko makromolekulo in potem spremeni njeno funkcijo,» razloži sogovornik vsebino raziskovalnega dela v laboratoriju za računalniške bioznanosti in bioinformatiko.

Parkinsonova in alzheimerjeva bolezen

Nekoliko presenetljiva pa je osredotočenost na razumevanje samo enega encima, in sicer monoamino oksidaze (MAO), glede na to, da je v organizmu več kot 250.000 proteinov. Razlaga, da je omenjeni encim usodnega pomena za normalno delovanje človeka, je seveda dovolj prepričljiva.

»V našem laboratoriju smo skupaj z dr. Robertom Vianellom z zagrebškega Inštituta Ruđer Bošković razjasnili mehanizem delovanja enicima MAO. Ta encim, ki se nahaja v obliki A in B, razgrajuje serotonin in dopamin, ki sta prenašalca živčnih signalov. Ko pa je dopamina ali serotonina premalo ali preveč in ko začnejo odmirati nevroni, se pojavijo patološka stanja. Na srečo so človeški možgani izjemno prilagodljivi, veliko je redundance oziroma tako imenovane rezerve. Prvi znaki bolezni se pojavijo šele, ko je že 70 odstotkov nevronov poškodovanih ali odmrlih. Na primer izguba voha je prvi znak parkinsonove bolezni. To kaže na izjemno kompleksnost bolezni. Vse celice v centralnem živčnem sistemu v določeni meri komunicirajo.«

Povedano dr. Mavri ponazori s prikazom komplicirane kinetične sheme nastanka nevrodegenerativnih bolezni, ki so predmet njihovega raziskovalnega dela.

»Pri parkinsonovi bolezni se poškodbe v glavnem pojavljajo na nigrostriatni poti, kjer po dopaminergičnih nevronih poteka prenos signalov, povezanih z gibanjem. Ko encim MAO razgradi dopamin in druge monoaminske živčne prenašalce, nastajajo reaktivni produkti, na primer aldehid in vodikov peroksid. Zadnji tvori reaktivne kisikove zvrsti. Te snovi postopno uničujejo nevrone, in sicer tako, da direktno razgradijo membrano nevrona ali pa da reaktivne kisikove zvrsti oksidirajo železove in bakrove ione, ki potem povzročijo tvorbo amiloidnega plaka – netopne obloge, ki se nalaga na nevrone. V obeh primerih nevron počasi izgubi funkcijo in odmre. K tvorbi reaktivnih kisikovih zvrsti dodatno prispevajo še drugi metabolni procesi v nevronih in vnetni procesi, ki so povezani z odmiranjem nevronov. Pri parkinsonovi bolezni so patološki procesi lokalizirani, medtem ko pri alzheimerjevi bolezni potekajo patološki procesi po celotnih možganih.«

Agresivno vedenje

Z biomolekularnimi oziroma multiskalnimi simulacijami raziskovalci razumejo, kako se razgrajujejo biogeni amini, kakršna sta dopamin in serotonin. Razvijajo učinke točkovnih mutacij: če eno aminokislino zamenjajo z drugo v bližini aktivnega centra, se spremeni hitrost kemijske reakcije – značilno pade. Razumevanje točkovnih mutacij je zelo pomembno za nevroznanost, ker pokaže, kako se spremeni hitrost presnove biogenih aminov. Posledica povišane doze serotonina v zarodku so lahko plastične spremembe v možganih, ki se odražajo tudi v agresivnem obnašanju odraslega človeka. Neravnovesje v nivojih biogenih aminov se tipično pojavi pri vojnih veteranih, ki trpijo za posttravmatskim sindromom.

»S simulacijami na novi računalniški gruči bi lahko proučevali problematiko posttravmatskega stresa. Simptomi tega so agresivnost in motnje v spanju, zato, denimo, številni veterani zadnje vojne na Hrvaškem iščejo zdravniško pomoč. Znano je namreč, da je pri ljudeh z močneje izraženimi simptomi posttravmatskega stresa povečana tudi spremenjena aktivnost encima MAO. Zanima nas, ali imajo vojni veterani mutiran omenjeni encim. To je izziv, ki bi ga radi raziskali,« pojasni nove raziskovalne priložnosti dr. Jernej Stare.

Proučili bi njihov dedni material in analizirali zaporedje DNA, da bi ugotovili, kakšne so mutacije encima. Projekt bi izvedli skupaj z raziskovalci hrvaškega inštituta Ruđer Bošković, s katerimi že sodelujejo, in z eksperti klinične prakse. Informacije o mutiranem encimu bi postale vhodni podatek za računalniške simulacije, s katerimi bi ugotavljali neposredno povezavo med klinično sliko in aktivnostjo različno mutiranih encimov. S simulacijami bi dobili podatke, kako hitro deluje mutirani encim, ne da bi ga bilo treba pripraviti po izjemno zahtevnem in dragem postopku. Tako bi povezali klinično prakso in metode računalniške simulacije kot napovednega orodja za interpretacijo.

Po mnenju dr. Stareta bi s povezavo kliničnih študij in računalniških simulacij lahko raziskovali nevropsihiatrične bolezni, kot je depresija, in nevrodegenerativne bolezni. Z računalniškimi simulacijami bi namreč lahko potrdili ali ovrgli domneve o tem, kako majhne razlike v strukturi proteinov, ki so zakodirane v dednem materialu, vplivajo na človekovo nagnjenost k temu, da bo morda zbolel za katero od omenjenih bolezni.

V raziskovalni skupini dr. Mavrija sicer ne sprejemajo in ne zdravijo pacientov, upajo pa, da bodo njihova dognanja v prihodnje pomagala pri diagnostiki, preventivi in zdravljenju bolezni centralnega živčnega sistema.

Prijavi sovražni govor