UJ/Katarzyna Wrona
GlycoSHIELD – rewolucja w opracowaniu nowych leków i terapii
Redaktor: Dorota Mirska
Data: 04.03.2024
| Tagi: | GlycoSHIELD, białka, struktura bialek, cukry, odkrycia, Mateusz Sikora, Uniwersytet Jagielloński, Centrum Dioscuri, Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego |
Algorytm GlycoSHIELD opracowany przez dr. Mateusza Sikorę z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego wraz z międzynarodowym zespołem pomaga przy szybkiej wizualizacji białek i cukrów. Może pomóc przy opracowywaniu nowych szczepionek, leków i zaawansowanych terapii, na przykład immunoterapii nowotworowej.
Jak informuje na swojej stronie internetowe Uniwersytet Jagielloński, dr Mateusz Sikora z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego opracował rewolucyjne podejście do szybkiej wizualizacji białek i cukrów. To efekt algorytmu GlycoSHIELD opracowanego dzięki polsko-niemieckiej współpracy naukowej w Centrum Dioscuri Maxa Plancka, powstałym w 2023 roku w Małopolskim Centrum Biotechnologii UJ. W badaniach dr. Sikory udział brały również francuski Inserm i tajwańska Academia Sinica.
Znajomość glikanów pomocna przy tworzeniu nowych leków
Łańcuchy cukrowe (glikany), które pokrywają powierzchnie białek w naszym organizmie, wpływają na ich interakcje z innymi cząsteczkami. Dlatego znajomość glikanów odgrywa ważną rolę m.in. przy tworzeniu nowych leków. Ze względu na dużą zmienność i ruchliwość cukrów badania doświadczalne są bardzo złożone. Symulacje komputerowe, które pozwalają zobrazować, jak glikany pokrywają powierzchnie białek, wymagają setek tysięcy godzin na przeznaczonych do tego superkomputerach, co nie pozwala na ich rutynowe użycie np. w procesie tworzenia nowych leków.
Odpowiedzią na te wyzwania może być GlycoSHIELD – bardzo wydajny algorytm, który w ciągu minut przewiduje, jak cukry pokrywają powierzchnie białek. Został on wynaleziony dzięki polsko-niemieckiej współpracy naukowej w Centrum Dioscuri Maxa Plancka powstałym w 2023 roku w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Trójwymiarowa struktura białek
Aby zrozumieć, jak funkcjonują białka i jak wpływają na rozwój i postęp chorób, naukowcy badają ich trójwymiarową strukturę. Oprócz metod eksperymentalnych używają również metod obliczeniowych. Dla przykładu, algorytm sztucznej inteligencji Alphafold potrafi określić strukturę przestrzenną białka z sekwencji budujących je indywidualnych elementów, czyli aminokwasów.
Jednakże ponad 75 proc. wszystkich białek nie składa się wyłącznie z aminokwasów. Powierzchnia tych białek jest niejako „ozdobiona” łańcuchami cukrowymi, które tworzą wokół nich niezwykle dynamiczne „tarcze”. Nadal nie wiemy do końca, jak te tarcze się zachowują, ani jaki mają wpływ na wiązanie się cząsteczek lekowych. Symulacja morfologii tych cukrów jest trudna ze względu na ich ruchliwość.
Podejmując to naukowe wyzwanie, dr Mateusz Sikora, kierujący Centrum Dioscuri do Modelowania Modyfikacji Potranslacyjnych oraz jego zespól afiliowany w Krakowie i Instytucie Biofizyki Maxa Plancka we Frankfurcie nad Menem, we współpracy z grupami dr. Cyryla Hanusa z Inserm w Paryżu i dr. Danny’ego Hsu z Academia Sinica na Tajwanie, opracowali algorytm GlycoSHIELD. Oprogramowanie to umożliwia szybką wizualizację łańcuchów cukrowych na powierzchni białek. Naukowcy opublikowali nową metodę w renomowanym czasopiśmie „Cell”.
Minuty zamiast milionów godzin obliczeniowych
Na stronie UJ czytamy: – Sięgnijmy po przykład. Cukrowa warstwa na białku kolca koronawirusa SARS-CoV-2 ukrywa go przed układem odpornościowym, utrudniając przeciwciałom przyczepienie się w celu pozbycia się patogenu. Jak dotąd przewidywanie struktury warstw cukrowych za pomocą symulacji komputerowych wymagało eksperckiej wiedzy i milionów godzin obliczeniowych na specjalnych superkomputerach.
Tymczasem opracowany przez zespół dr. Sikory algorytm GlycoSHIELD przełamuje te ograniczenia, stanowiąc przy tym w stosunku do wcześniej stosowanych metod nie tylko szybszą, ale też bardziej ekologiczną alternatywę.
– Nasze podejście redukuje zużycie zasobów, czas obliczeniowy oraz potrzebną wiedzę techniczną. Teraz każdy, w ciągu kilku minut, może na swoim komputerze osobistym – lub też używając naszej aplikacji online – zwizualizować rozkład i dynamikę zachowań cząsteczek cukru na białkach. Nie potrzeba do tego ani specjalistycznej wiedzy, ani komputerów wysokiej wydajności – przekonuje naukowiec z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ.
Oprogramowanie pomocne przy opracowywaniu nowych leków i terapii
Jak zespołowi udało się osiągnąć tak duży wzrost efektywności symulacji? Autorzy stworzyli i przeanalizowali bibliotekę tysięcy najczęściej spotykanych form 3D łańcuchów cukrowych występujących u ludzi i mikroorganizmów. Używając pełnoekranowych symulacji dynamiki molekularnej i doświadczeń, badacze odkryli, że dla wiarygodnego przewidywania tarcz glikanowych wystarczy, że dołączone modele cukrów nie kolidują z błonami biologicznymi lub częściami białka. Algorytm opiera się na tych wnioskach.
– Użytkownicy GlyoSHIELD muszą tylko określić białko i miejsca, gdzie cukry są dołączone. Nasze oprogramowanie następnie doczepia je na powierzchni modelu białka w najbardziej prawdopodobnym układzie – wyjaśnia dr Sikora. – Mogliśmy bardzo dobrze odtworzyć tarcze cukrowe białka kolca; wyglądają dokładnie tak, jak to, co widzimy w naszych doświadczeniach! – komentuje naukowiec.
Dzięki GlycoSHIELD możliwe jest teraz uzupełnienie struktur glikoprotein o informacje o cukrach. Autorzy użyli również GlycoSHIELD do ujawnienia wzoru cukrów na receptorze neuroprzekaźników GABA, istotnym dla anestezjologii i działania środków uspokajających. GlycoSHIELD jest dostępny jako aplikacja internetowa na stronie glycoshield.eu.
Stworzone oprogramowanie może być pomocne przy opracowywaniu nowych szczepionek, leków i zaawansowanych terapii, na przykład immunoterapii nowotworowej.
Przeczytaj także: „Nagrody ministra nauki dla badaczek Wydziału Lekarskiego UJ”.
Znajomość glikanów pomocna przy tworzeniu nowych leków
Łańcuchy cukrowe (glikany), które pokrywają powierzchnie białek w naszym organizmie, wpływają na ich interakcje z innymi cząsteczkami. Dlatego znajomość glikanów odgrywa ważną rolę m.in. przy tworzeniu nowych leków. Ze względu na dużą zmienność i ruchliwość cukrów badania doświadczalne są bardzo złożone. Symulacje komputerowe, które pozwalają zobrazować, jak glikany pokrywają powierzchnie białek, wymagają setek tysięcy godzin na przeznaczonych do tego superkomputerach, co nie pozwala na ich rutynowe użycie np. w procesie tworzenia nowych leków.
Odpowiedzią na te wyzwania może być GlycoSHIELD – bardzo wydajny algorytm, który w ciągu minut przewiduje, jak cukry pokrywają powierzchnie białek. Został on wynaleziony dzięki polsko-niemieckiej współpracy naukowej w Centrum Dioscuri Maxa Plancka powstałym w 2023 roku w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Trójwymiarowa struktura białek
Aby zrozumieć, jak funkcjonują białka i jak wpływają na rozwój i postęp chorób, naukowcy badają ich trójwymiarową strukturę. Oprócz metod eksperymentalnych używają również metod obliczeniowych. Dla przykładu, algorytm sztucznej inteligencji Alphafold potrafi określić strukturę przestrzenną białka z sekwencji budujących je indywidualnych elementów, czyli aminokwasów.
Jednakże ponad 75 proc. wszystkich białek nie składa się wyłącznie z aminokwasów. Powierzchnia tych białek jest niejako „ozdobiona” łańcuchami cukrowymi, które tworzą wokół nich niezwykle dynamiczne „tarcze”. Nadal nie wiemy do końca, jak te tarcze się zachowują, ani jaki mają wpływ na wiązanie się cząsteczek lekowych. Symulacja morfologii tych cukrów jest trudna ze względu na ich ruchliwość.
Podejmując to naukowe wyzwanie, dr Mateusz Sikora, kierujący Centrum Dioscuri do Modelowania Modyfikacji Potranslacyjnych oraz jego zespól afiliowany w Krakowie i Instytucie Biofizyki Maxa Plancka we Frankfurcie nad Menem, we współpracy z grupami dr. Cyryla Hanusa z Inserm w Paryżu i dr. Danny’ego Hsu z Academia Sinica na Tajwanie, opracowali algorytm GlycoSHIELD. Oprogramowanie to umożliwia szybką wizualizację łańcuchów cukrowych na powierzchni białek. Naukowcy opublikowali nową metodę w renomowanym czasopiśmie „Cell”.
Minuty zamiast milionów godzin obliczeniowych
Na stronie UJ czytamy: – Sięgnijmy po przykład. Cukrowa warstwa na białku kolca koronawirusa SARS-CoV-2 ukrywa go przed układem odpornościowym, utrudniając przeciwciałom przyczepienie się w celu pozbycia się patogenu. Jak dotąd przewidywanie struktury warstw cukrowych za pomocą symulacji komputerowych wymagało eksperckiej wiedzy i milionów godzin obliczeniowych na specjalnych superkomputerach.
Tymczasem opracowany przez zespół dr. Sikory algorytm GlycoSHIELD przełamuje te ograniczenia, stanowiąc przy tym w stosunku do wcześniej stosowanych metod nie tylko szybszą, ale też bardziej ekologiczną alternatywę.
– Nasze podejście redukuje zużycie zasobów, czas obliczeniowy oraz potrzebną wiedzę techniczną. Teraz każdy, w ciągu kilku minut, może na swoim komputerze osobistym – lub też używając naszej aplikacji online – zwizualizować rozkład i dynamikę zachowań cząsteczek cukru na białkach. Nie potrzeba do tego ani specjalistycznej wiedzy, ani komputerów wysokiej wydajności – przekonuje naukowiec z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ.
Oprogramowanie pomocne przy opracowywaniu nowych leków i terapii
Jak zespołowi udało się osiągnąć tak duży wzrost efektywności symulacji? Autorzy stworzyli i przeanalizowali bibliotekę tysięcy najczęściej spotykanych form 3D łańcuchów cukrowych występujących u ludzi i mikroorganizmów. Używając pełnoekranowych symulacji dynamiki molekularnej i doświadczeń, badacze odkryli, że dla wiarygodnego przewidywania tarcz glikanowych wystarczy, że dołączone modele cukrów nie kolidują z błonami biologicznymi lub częściami białka. Algorytm opiera się na tych wnioskach.
– Użytkownicy GlyoSHIELD muszą tylko określić białko i miejsca, gdzie cukry są dołączone. Nasze oprogramowanie następnie doczepia je na powierzchni modelu białka w najbardziej prawdopodobnym układzie – wyjaśnia dr Sikora. – Mogliśmy bardzo dobrze odtworzyć tarcze cukrowe białka kolca; wyglądają dokładnie tak, jak to, co widzimy w naszych doświadczeniach! – komentuje naukowiec.
Dzięki GlycoSHIELD możliwe jest teraz uzupełnienie struktur glikoprotein o informacje o cukrach. Autorzy użyli również GlycoSHIELD do ujawnienia wzoru cukrów na receptorze neuroprzekaźników GABA, istotnym dla anestezjologii i działania środków uspokajających. GlycoSHIELD jest dostępny jako aplikacja internetowa na stronie glycoshield.eu.
Stworzone oprogramowanie może być pomocne przy opracowywaniu nowych szczepionek, leków i zaawansowanych terapii, na przykład immunoterapii nowotworowej.
Przeczytaj także: „Nagrody ministra nauki dla badaczek Wydziału Lekarskiego UJ”.
