Predgovor

---

Oznaka: 0098036

STRUKTURA I SVOJSTVA (BIO)MOLEKULA

STRUCTURE AND PROPERTIES OF (BIO)MOLECULES
Voditeljica projekta: dr. sc. Biserka Kojić-Prodić

Tel. ++385 1 4680 126   e-mail: [e-mail]

Suradnici
Branimir Bertoša, dipl. ing. kemije, znanstveni novak u suradničkom zvanju asistenta
Biserka Kojić-Prodić, doktorica kem. znanosti, znanstvena savjetnica u mirovini, zaslužna znanstvenica
Ivana Leščić Ašler, doktorica kem. znanosti, znanstvena novakinja u suradničkom zvanju više asistentice, od 7.11.2005.
Marija Luić, doktorica geol. znanosti, znanstvena savjetnica od 2.6.2005.
Goran Mikleušević, dipl. ing. molekularne biologije, znanstveni novak u suradničkom zvanju asistenta
Krešimir Molčanov, dipl. ing. kemije, stručni suradnik
Zoran Štefanić, doktor fiz. znanosti, viši asistent
Sanja Tomić, doktorica fiz. znanosti, viša znanstvena suradnica
Aleksandar Višnjevac, doktor kem. znanosti, znanstveni suradnik

Vanjski suradnici
Jasenka Pigac, doktorica biotehničkih znanosti, redovita profesorica u mirovini, Prehrambeno-biotehnološki fakultet u Zagrebu, Zagreb

Program rada i rezultati na projektu:

Područje istraživanja je interdisciplinarno i u njemu se koriste metode rendgenske strukturne analize i odabrane spektroskopije, molekularno modeliranje realnih bioloških i kemijskih sistema, te bioinformatika. Izučava se odnos strukture i aktivnosti, kao i međumolekularne interakcije te mehanizmi (bio)kemijskih reakcija. Prepoznavanje biološki aktivnih molekula (molecular recognition) na temelju karakterističnih strukturnih parametara, posebno aktivnog mjesta u (makro)molekuli ili njene (bio)aktivne konformacije, uz poznavanje fizičko-kemijskih svojstava, koristi se kao doprinos razumijevanju bioloških procesa na molekularnoj i atomnoj razini. Detaljno poznavanje molekularne strukture spojeva u kristalu i otopini omogućava praćenje i objašnjenje mehanizama kemijskih i bioloških reakcija realnih i modelnih sustava. Pri molekularnom (kompjutorskom) modeliranju koristi se: molekularna mehanika, molekularna dinamika, Monte Carlo metoda, zatim kombinacija kvantno-mehaničkih metoda i spomenutih pristupa, te QSAR analiza (ili SAR, odnosno QSPR). Izučavaju se interakcije malih molekula s proteinima (supstrati i inhibitori) i nukleinskim kiselinama, te interakcije protein∙∙∙protein. Na temelju rezultata rendgenske strukturne analize i metoda molekularnog modeliranja prate se intramolekularne, i posebice, intermolekularne - nekovalentne interakcije. Nekovalentne interakcije bitne su: u kristalnim strukturama, pri nastajanju supramolekularnih spojeva i općenito pri udruživanju molekula tj. stvaranju (makro)molekularnih ansambla. Pri tim interakcijama i enzimskim mehanizmima hidrolaza izuzetno su važne vodikove veze, koje su predmet našeg detaljnog istraživanja. Veoma koncentrirano radi se na uvođenju metoda proteinske kristalografije i pratećih analitičkih metoda potrebnih za čišćenje i (bio)kemijsku karakterizaciju proteina kao i složenih računskih pristupa za studij međudjelovanja supstrata i enzima i predviđanja enentioselektivnosti bakterijskih lipaza.

Praćen je odnos strukture i aktivnosti nove klase N-1-sulfonil pirimidinskih derivata i pri tom je opažena kiralna rezolucija u kristalima. Usmjerenom sintezom pripremljeni su derivati na kojima se proučava detaljno pojava konformacijske kiralnosti u ovoj klasi spojeva. Tijekom studija enzimske aktivnosti lipaza, u suradnji s nekoliko istraživačkih skupina u zemlji i inozemstvu, izolirana je  i eksprimirana te biokemijski karakterizirana izvanstanična lipaza (SrL) bakterije Streptomyces rimosus. Pripravljeni su kompleksi inhibitora 3,4-dikloroizokumarina i tetrahidrolipstatina (THL, ORLYSTAT) sa SrL i utvrđene su kovalentne veze inhibitora s aktivnim serinom (serin-10) korištenjem MALDI masene spektrometrije. Kako THL nije tipičan inhibitor bakterijskih lipaza bilo je zanimljivo postići kompleksiranje s lipazom. Kvantitativno je utvrđeno da se THL veže kovaletno 50% dok preostalih 50% tvori nekovalentno vezivanje s enzimom. Metodama strukturne bioinformatike analizirana je slabo opisana skupina hidrolaza s novim alfa/beta/alfa savijanjem kojoj pripada i SrL. Poznato je preko 3500 tisuće tih enzima, ali su 3D struture poznate tek za 12 proteina te klase. Ova velika klasa hidrolaza ima nisku sličnost proteinske sekvence, ali ima četiri sačuvana i prepoznatljiva bloka, od kojih svaki ima po jednu aminokiselinu odgovornu za katalizu. Unatoč niskoj sličnosti, ove hidrolaze imaju potpuno sačuvanu topologiju aktivnog mjesta što upućuje na zajedničkog pretka od kojeg su se divergentnom evolucijom razvili proteini ove opsežne klase. Primjenom kvantno-mehaničkih te hibridnih (QM/MM) metoda modelirane su reakcije hidrolize i esterfikacije sekundarnih alkohola, koje katalizira Burkholderia cepacia lipaza. Kao rezultat dugogodišnje suradnje s inozemnim grupama određena je trodimenzijska struktura binarnog kompleksa purin nukleozid fosforilaze s inhibitorom. Planira se priprava različitih mutanata kako bi se detaljno izučio mehanizam katalize. Poznavanje mehanizma ovog enzima i kinetike nastajanja njegovih kompleksa s inhibitorima presudno je u iznalaženju novih terapeutika u liječenju tumorskih i virusnih oboljenja kao i oboljenja imunog sustava. U suradnji s kolegama drugih laboratorija izučavaju se računalnim metodama nekovalentne interakcije homo-polinukleotida s fenantridinom i derivatima; rezultati modeliranja u suglasju su sa spektroskopskim opažanjima. Postignuti rezultati u objedinjavanju proteinske kristalografije i modeliranja temelj su interdisciplinarnog pristupa u izučavanju realnih bioloških sustava i njhovih modela omogućujući njihovu primjenu.

Izložen interdisciplinarni pristup istraživanja daje temelj za pripravu novih spojeva unaprijed zadanih svojstava, efikasnih biokatalizatora, i doprinosi razumijevanju bioloških procesa na molekularnoj i atomnoj razini. Takav interdisciplinarni pristup moguć je zahvaljujući uspješnoj znanstvenoj suradnji s više laboratorija našeg Instituta kao i međunarodnoj suradnji. Rendgenska strukturna analiza uspješno je primijenjena u određivanju trodimenzijske strukture novih supramolekularnih, organskih i kompleksnih spojeva. U suradnji sa Zavodom za organsku kemiju Fakulteta za kemijsko inženjerstvo i tehnologiju izučavane su fotokemijske reakcije organskih spojeva.

Research programme and results:

The interdisciplinary research is based on X-ray structure analysis, spectroscopic methods, and molecular modelling of real biological and chemical systems, and bioinformatics. The structure/activity correlations, intermolecular interactions, and mechanisms of (bio)chemical reactions have been studied. Molecular recognition approach, based on the characteristic structural parameters, particularly of the active site or bioactive conformations together with physico-chemical properties of the molecules studied have been used in study of biological processes at the molecular and atomic levels. Detailed molecular architecture in the crystalline state and in solution has been used to understand chemical and biological reactions of real and model systems. In molecular (computer) modelling a number of methods have been used: molecular mechanics, molecular dynamics, Monte Carlo approach, combination of quantum-mechanical methods and already mentioned approaches, and QSAR (and/or SAR, QSPR). Interactions of small molecules (substrates and inhibitors) with proteins and nucleic acids, and interactions between protein molecules have been studied. The results of X-ray structure analysis and molecular modelling have been used in studies of intramolecular and, in particular, of intermolecular - noncovalent interactions. The noncovalent interactions are essential in crystal packing, formation of supramolecular compounds, and, in general, for (macro)molecular assembling. In these interactions and in enzymatic catalytic mechanisms of hydrolases hydrogen bonding plays a crucial role which is the subject of our research.

The efforts have been concentrated on implementations of protein crystallography methods and required procedures for purification and characterisation of proteins, and complex computational approaches essential for studying enzyme-substrate interactions and predictions of enantioselectivity of bacterial lipases.

Structure/activity correlation of a novel series of N-1-sulfonylpyrimidine derivatives was performed and detailed X-ray structure analysis revealed chiral resolution in a solid state for some of the compounds. Directed synthesis was used to prepare some compounds that were used for studies of a conformational chirality. In cooperation with several research teams, an extracellular lipase from Streptomyces rimosus (SrL) was isolated, expressed, and biochemically characterised. The complexes of SrL with 3,4-dichloroisocumarin and tetrahydrolipstatin (THL, pharmaceutically used as ORLYSTAT) were prepared and covalent binding to the active serine (serine-10) was established by MALDI mass spectrometry. THL is not bacterial lipase inhibitor and thus it was a challenge to complex it with a bacterial lipase. The quantitative analysis of THL binding revealed 50% of covalent and 50% of noncovalent binding to enzyme. Methods of structural bioinformatics were used to analyse and characterise a large poorly described class of hydrolases with a novel alfa/beta/alfa fold to which SrL belongs as well. Over 3500 enzymes of this class were recorded, but 3D structures of twelve enzymes are known, only. This large class of hydrolases revealed a low sequence similarity, but four blocks were recognised and conserved and each of them comprises one amino acid responsible for catalysis. In spite of low sequence similarity, the high preserved topology of the active site is observed suggesting the common ancestor from which the divergent evolution produced widely modified enzymes. The combination of quantum-mechanical and hybrid methods (QM/MM) were used to model the reactions of hydrolysis and esterification of secondary alcohols catalysed by Burkholderia cepacia lipase. As the result of a long-lasting collaboration with international laboratories the three-dimensional structure of a binary complex of purine nucleoside phosphorylase with an inhibitor was determined. The preparation of several key mutants is planned to study the enzyme mechanism. Knowledge of catalytic mechanism of this enzyme and its kinetics of complexes formation with inhibitors is crucial for design of novel therapeutics in treatment of tumours, virus diseases, and malfunctioning of an immune system. Described interdisciplinary approach based on protein crystallography and molecular modelling enables studies of real and modelled biological systems and their application.

These results have been achieved due to the successful collaboration with some laboratories of our Institute and international cooperation. X-ray structure analysis was successfully used in determination of three-dimensional structures of novel supramolecular, organic and metal complexes. In collaboration with the Department of Organic Chemistry, Faculty of Chemical Engineering and Technology, University of Zagreb photochemical reaction of organic molecules were studied.