ИСТИНА

Установление взаимосвязи между структурой и функциональными свойствами белков/ферментов является одной из наиболее актуальных задач, важных как для фундаментального понимания организации и функционирования живых систем, так и для использования этих знаний в медицине и биотехнологии. Накопление существенного объема данных о структурах ферментов, их комплексов с субстратами и ингибиторами, примеров аллостерических белков, открытие явления мунлайтинга, т.е. наличия нескольких (вплоть до двух десятков!) функциональных активностей в рамках одной белковой структуры, загадки псевдоферментов, потерявших каталитическую активность, но сохраняющих регуляторные свойства, появление возможностей сравнительного анализа суперсемейств белков на различных уровнях структурной организации, а также аминокислотных последовательностей, развитие современных компьютерных технологий позволяет приступить к работе над проблемой соотношения структуры и функции белков/ферментов на качественно новом уровне. Для понимания молекулярных механизмов структурно-функциональных взаимосвязей в белках необходимо изучение структурной организации конкретных сайтов, ответственных за взаимодействие с другими белками и связывание различных лигандов (субстратов, ингибиторов, эффекторов) в гомологичных и аналогичных белках, а также взаимодействие (взаимосвязь) между различными сайтами в структуре. Целью предлагаемого проекта является разработка многослойной биоинформатической платформы, позволяющей идентифицировать ранее неизвестные функциональные свойства известных белков/ферментов и находить белки/ферменты с заданной функцией, или предрасположенностью к выполнению заданной функции, в базах данных последовательностей и структур белков. Для этого будут использованы три уровня компьютерного моделирования: биоинформатический анализ (в том числе, методы машинного обучения) всех доступных структур и последовательностей белков/ферментов функционально разнообразных суперсемейств для изучения особенностей организации и поиска характеристических признаков в каталитических и регуляторных центрах гомологичных и аналогичных белков; методы молекулярного моделирования (докинга, молекулярной динамики, гибридных квантово-химических подходов) для уточнения механизмов и сравнительного анализа биохимической основы процессов, реализуемых в конкретных активных центрах; автоматизированный интеллектуальный анализ информационных ресурсов, таких как статьи, патенты, абстракты конференций и веб-сайты научных лабораторий, для экстракции и систематизации разрозненной экспериментальной информации о функциях и свойствах белков. Разработанные программы и полученные с их помощью молекулярные модели структурных признаков функциональных и регуляторных центров будут использованы для поиска прототипов биокатализаторов с необходимыми функциональными свойствами для целей биотехнологии, а также для аннотации ранее неизвестных активностей полифункциональных (мунлайтинговых) белков как потенциальных мишеней действия новых лекарственных препаратов от заболеваний человека. Предсказательный потенциал разработанного подхода будет проверен экспериментально при создании препаратов пенициллинацилазы с высокой каталитической активностью к алифатическим ацильным донорам для препаративного получения полусинтетических бета-лактамных антибиотиков и разработке селективных ингибиторов мунлайтинговых ферментов. Предлагаемый набор инструментов биоинформатики будет реализован с использованием современных высокопроизводительных вычислительных средств и представлен в виде публичной веб-платформы в сети интернет с интуитивно понятным графическим интерфейсом, что откроет доступ к новому ресурсу для широкого круга пользователей.

Establishing a relationship between the structure and functional properties of proteins/enzymes is of great relevance and important both for a fundamental understanding of the organization and functioning of living systems, and for the use of this knowledge in medicine and biotechnology. Accumulation of a significant amount of structural data on enzymes and their complexes with substrates and inhibitors, examples of allosteric proteins, discovery of the “moonlighting” phenomenon, i.e. existence of several (up to twenty!) functional activities within the same protein structure, riddles of the pseudoenzymes, which lost their catalytic activity meanwhile retaining their regulatory properties, the emergence of resources for the comparative analysis of protein superfamilies at different levels of structural organization, as well as amino acid sequences, the development of modern computer technologies allows us to start the work on the problem of structure and function relationship in proteins/enzymes at the qualitatively new level. To understand the molecular mechanisms underlying structure-function relationships in proteins, it is necessary to study the structural organization of the specific sites responsible for the interaction with other proteins and for the binding of various ligands (substrates, inhibitors, effectors) in homologous and similar proteins, and also the interaction (relationship) between different sites in structure is needed to being investigated. The aim of the proposed project is to develop a multi-layer bioinformatic platform that will allow to identify previously unknown functional properties of known proteins/enzymes and to find proteins/enzymes with a given function or, at least, with a predisposition to perform a given function in the databases of protein sequences and structures. To make this, the three levels of computer modeling will be used: bioinformatic analysis (including machine learning methods) of all available structures and sequences of proteins/enzymes in functionally diverse superfamilies to study the organization and to search for characteristic features in the catalytic and regulatory centers of homologous and similar proteins; methods of molecular modeling (docking, molecular dynamics, hybrid quantum chemical approaches) for refining the mechanisms and comparative analysis of the biochemical basis of the processes implemented in specific active centers; automated intellectual analysis of the information resources, such as scientific articles, patents, abstracts from the conferences and websites of scientific laboratories, for the extraction and systematization of sparse experimental information about the functions and properties of proteins. The developed programs and the obtained molecular models of structural features of functional and regulatory centers will be used to search for prototypes of biocatalysts possessing the necessary functional properties for the purposes of biotechnology, as well as for the annotation of previously unknown activities of polyfunctional (“moonlighting”) proteins as potential targets for the new drugs against human diseases. The predictive potential of the developed approach will be tested experimentally in the designing of penicillin acylase samples possessing high catalytic activity for aliphatic acyl donors for preparative preparation of semisynthetic beta-lactam antibiotics and the development of selective inhibitors of the “moonlighting” enzymes. The proposed set of bioinformatic tools will be implemented using the modern high-performance computing tools and will be presented as a public web-based internet platform with an intuitive graphical interface that will open an access to the new resource for a wide range of users.

Сутью разрабатываемых подходов, ставящих своей целью установление взаимосвязи между структурой и функцией белков/ферментов, а также использование этого знания для решения конкретных задач медицины и биотехнологии, является объединение возможностей методов биоинформатики, высокопроизводительных вычислений, интеллектуального анализа информационных ресурсов, энзимологии, теоретической химии, молекулярного моделирования. Компетенции коллектива исполнителей, сочетающего знания и опыт в области биоинформатики и математических методов в биологии, молекулярного моделирования и теоретической химии, биокатализа, механизмах действия и специфичности ферментов, биоинженерии и дизайне ферментов, информационного поиска и извлечения знаний из текстов, методов машинного обучения, суперкомпьютерного моделирования и параллельных вычислений, создают возможности для успешной работы над проблемой соотношения структуры и функции ферментов на качественно новом уровне в рамках предлагаемого проекта. Будут разработаны программы и создана публичная веб-платформа инструментов биоинформатики для широкого круга пользователей в сети интернет, позволяющая проводить интеллектуальный анализ больших данных с использованием современных высокопроизводительных вычислительных средств для решения научных и инновационных задач в области структурной биологии, биомедицины и биотехнологии. Открытость результатов данного проекта, доступность создаваемых инструментов и интернете для широкого круга пользователей, создаст основу для их аппробации при решении разнообразных задач и дальнейшего развития потенциала разрабатываемых методов. Автоматизированный сбор экспериментальных результатов, полученных по выбранным темам в разных лабораториях, и интеллектуальный анализ информационных ресурсов, таких как статьи, патенты, абстракты конференций и веб-сайты научных лабораторий позволит создавать необходимые базы данных для решения конкретных научных и инновационных задач в результате экстракции и систематизации разрозненной экспериментальной информации о функциях и свойствах белков, например, составлять выборки ферментов разных суперсемейств, катализирующих однотипные реакции, или превращающих те же субстраты, или содержащих похожие участки связывания вдали от известных активных центров, или обладающих аллостерическими свойствами в рамках одной субъединицы, или ингибируемых теми же ингибиторами, и т.д. Будут разработаны новые методы (улучшены существующие методы) поиска характеристических признаков в каталитических и регуляторных центрах гомологичных и аналогичных белков с использованием подходов биоинформатики, а также последовательное усовершенствование методов в результате машинного обучения для систематического анализа всех доступных структур и последовательностей отобранных белков/ферментов. Будут созданы базы данных характерных «сигнатур аминокислотных последовательностей сайтов», «3D-мотивов» и соответствующих молекулярных моделей функциональных и регуляторных центров, позволяющие, в частности, вести поиск прототипов биокатализаторов с необходимыми функциональными свойствами для целей биотехнологии, аннотацию ранее неизвестных активностей полифункциональных (мунлайтинговых) белков как потенциальных мишеней действия новых лекарственных препаратов и решать другие научные и прикладные задачи. Будут изучены особенности структурной организации активных центров в относительно недавно открытом суперсемействе ферментов Ntn-гидролаз и возможные мунлайтинговые, а также аллостерические свойства в этом семействе. Будет проведено сравнение механизма действия, разносторонних свойств активных центров и возможных мунлайтинговых активностей в двух семействах ферментов, принадлежащих к разным суперсемействам, но превращающих один класс субстратов и обладающих принципиально различной биологической активностью: пенициллинацилаз (суперсемейство Ntn-гидролаз), а также бета-лактамаз, пенициллин-связывающих белков и D,D-карбоксипептидаз (суперсемейство пенициллин-связывающих белков). Интерес к этим семействам ферментов обусловлен тем, что пенициллинацилазы играют «положительную» роль в современной биотехнологии и благодаря их промышленному использованию полусинтетические бета-лактамные антибиотики являются доступными (относительно недорогими) и наиболее широко используемыми антибиотиками, в то время как бета-лактамазы, взаимодействующие с теми же бета-лактамными антибиотиками, известны благодаря их крайне «отрицательной» роли в живых системах: они преврашают бета-лактамные антибиотики по другому пути и являются фактором резистентности патогенов, представляя все возрастающую и трудно преодолимую опасность. Парадокс заключается в том, что пенициллинацилазы, в принципе, тоже могут быть фактором резистентности, хотя на эти возможности в литературе практически не обращается внимания. Объективное сравнение каталитических механизмов и способов регуляции функциональных свойств в этих далеких друг от друга семействах даст возможность проверить эффективность создаваемой платформы инструментов биоинформатики и интеллектуального анализа доступной информации, огромные массивы которой накоплены в этой области, наладить ее работу, и лучше понять перспективы борьбы с проблемой резистентности патогенов к действию антибиотиков. Предсказательный потенциал разработанных подходов будет проверен экспериментально при создании препаратов пенициллинацилазы с высокой каталитической активностью к алифатическим ацильным донорам для препаративного получения полусинтетических бета-лактамных антибиотиков и разработке селективных ингибиторов мунлайтинговых ферментов.

Настоящий проект основан на опыте и результатах совместной работы сотрудников различных подразделений МГУ им. М.В.Ломоносова над инициативными проектами, ранее поддержанными РФФИ, по развитию компьютерных технологий для решения вычислительно сложных задач компьютерной биологии. Проведенные исследования убедили нас в том, что при решении сложных вычислительных задач в области биологии, медицины и биотехнологии необходим комплексный подход, позволяющий соединить эффективность программных продуктов, аппаратной конфигурации вычислительных систем и организацию вычислительного процесса в виде последовательных этапов с возможностями методов биоинформатики, молекулярного моделирования и компьютерного скрининга. В результате многолетней совместной работы разработан комплекс оригинальных алгоритмов и программ для анализа структуры, функции и регуляции суперсемейств белков/ферментов; накоплен опыт в области молекулярного моделирования и использования методов теоретической химии для изучения механизмов действия ферментов и дизайна ферментов с улучшенными свойствами; разработан комплексный подход ко-дизайна аппаратно-программных средств при использовании суперкомпьютера для решения вычислительно сложных задач биологии и биоинформатики. Развитие общедоступных веб-серверов, которые позволяют объединить усилия ученых и способствуют быстрой оценке эффективности разных методов, мы считаем принципиально важным шагом решения проблемы поиска взаимосвязи между структурой и функцией белков, и накопили значительный опыт в разработке свободно доступных веб-ориентированных имплементаций оригинальных компьютерных подходов. Привлечение к решению задач проекта междисциплинарного коллектива исполнителей позволит приступить к работе над проблемой соотношения структуры и функции ферментов на качественно новом уровне.