Обсуждение.

Доклад Ярослава Петровича Старухина в Доме предпринимателей. 

Видео

  Доклад Андрея Евгеньевича Кузнецова в Доме предпринимателей.

Видео

 Доклад Владимира Акимовича Ацюковского в Доме предпринимателей. 

Видео 

 Доклад Александра Юрьевича Кушелева в Доме предпринимателей. 

Видео

Обсуждение.

Пикотехнология - новый подход в моделировании пространственной структуры белка.

Кушелев А.Ю. Соколик В.В.

В формате Word

В графическом формате 

Научно-исследовательская лаборатория "Наномир", Дмитров

ГУ «Институт неврологии, психиатрии и наркологии АМНУ», Харьков

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются научные исследования с приставкой «нано»: речь идёт об объектах, размер которых лежит в диапазоне 1-100 нанометров [3, с. 28; 16, c. 6]. Однако при моделировании атомов в составе биомолекул возникла необходимость оперировать конфигурацией электронов, формирующих внешний валентный уровень, который и определяет объем, занимаемый тем или иным атомом в пространстве, а это уже размерность пикометров (10-12 м). Пикотехнология, методический подход для моделирования пространственной структуры белка, опирается на следующие представления о микромире:
          кольцегранная структура электронных орбиталей (электронов) в атоме, которая детерминирует в первом приближении форму атома в виде усечённого октаэдра (рис. 1), грани которого – электроны валентного энергетического уровня [17, c. 49; 4, с. 46; 1, с. 73];
          геометрический алгоритм объединения атомов в молекулах определяет не только межатомные расстояния (длины связей), но прежде всего углы поворота по этим связям, кратные 120о в трёхмерном пространстве [2, c. 237; 5, с. 137];
          ротамерный вариант пептидной связи, которая объединяет аминокислотные остатки в полипептид, детерминирован третьим нуклеотидом кодона [2, c. 237; 18, c. 347] и реализуется в ходе матричного синтеза структурного шаблона белка на рибосоме пулом изоакцепторных тРНК [6, c. 13].

           А                              Б

Рис. 1. Кольцегранная модель валентной электронной оболочки атома из 8 электронов (А) и её аппроксимация усеченным октаэдром (Б) в моделях белков.

Десять лет назад А.Ю. Кушелевым была сформулирована идея композиционного генетического кода [2, c. 237], которая была расширена представлениями о кодировании ротамерии пептидной связи и структурного шаблона белка [18, c. 348; 19, с. 275; 20, c. 118]. В таблице композиционного генетического кода каждому варианту композиционного кода, в зависимости от кодона, соответствовало определённое значение композиционного угла, под которым  в ходе матричного синтеза происходит присоединение очередного аминокислотного остатка к растущей полипептидной цепи. Данная таблица легла в основу алгоритма первого варианта компьютерной программы «Пикотехнология» для моделирования пространственной структуры белка по детерминирующей его нуклеотидной последовательности. Дальнейшая разработка данной проблемы привела к уточнению не только самой таблицы, но и к введению таких понятий, как ротамерия пептидной связи и структурный шаблон белка. Было установлено, что в геноме третьим нуклеотидом кодона детерминирован один из трёх ротамерных вариантов пептидной связи, которым аминокислотный остаток (закодированный дуплетом первых двух нуклеотидом кодона) присоединяется к растущей полипептидной цепи (табл. 1).

Таблица 1. Генетический код структурного шаблона белка

XYZ – первый, второй и третий нуклеотиды в кодоне; R, 0, L – ротамерные варианты пептидной связи (РВПС); uaa, uag, uga – Stop-кодоны.

Ротамерные варианты пептидной связи различаются между собой углом поворота по оси пептидной связи ω, кратным 120о. Крайне важно понимать, что ротамерный вариант пептидной связи реализуется в процессе синтеза белка в рибосоме и дальнейшее вращение по уже образовавшейся полуторной пептидной связи становиться невозможным. Поэтому с рибосомы сходит совершенно индивидуальный структурный шаблон белка из последовательности ротамерных вариантов пептидной связи, в соответствие с информацией, содержащейся в его гене. Именно этим обстоятельством мы объясняем невозможность синтезировать нематричным способом функционально активные большие молекулы белковых ферментов или рецепторов. Твердофазный синтез реализован только для небольших неструктурированных пептидов, которые характеризуются избыточной конформационной подвижностью, в силу чего их функциональные конформации определяются взаимодействием с белками-партнёрами в составе гетерокомплексов, а не индивидуальным  структурным шаблоном [13, с. 38].
Для конформеров вторичной структуры белка характерна периодичность, поэтому, правая спираль в структурном шаблоне белка кодируется последовательностью кодонов с С/G в третьей позиции, β-тяж – повторением кодонов с А, а левая спираль – последовательностью кодонов с Т в третьем положении (табл. 2). Неструктурированные фрагменты кодируются чередованием кодонов с С/G, А и Т в третьей позиции.

Таблица 2. Кодирование конформеров вторичной структуры белка

У R, 0 и L-ротамеров все атомы пептидной группы (Cα (i), C (i), O (i), N (i+1) H (i+1)) компланарны, кроме Cα (i+1). Cα (i+1) атом каждого аминокислотного остатка не принадлежит плоскости пептидной группы, благодаря чему происходит сворачивание полипептидной цепи в конформеры вторичной структуры белка (правая α-спираль, β-тяж, левая 3/10-спираль) ещё в рибосоме (рис. 2), а не после синтеза полипептидной цепи из практически единственного транс-изомера (цис-изомер только у пролина) в виде плоской ленты, сворачивание которой достигается поворотами на углы φ и ψ по связям СО—Cα и NH—Cα, как предполагали ранее [9, с. 134]. Пластичность структурного шаблона в ходе посттрансляционного фолдинга и конформационная подвижность белка при взаимодействии с лигандами достигаются единственно возможным поворотом по оси связи NH—Cα на приращение угла ψ, кратное 120о [5, с. 139].

Рис. 2. Схема образования правого (R), нулевого (0) и левого (L) ротамерных вариантов пептидной связи.

Данный механизм трансляции генетической информации является эволюционно новым. Его формирование у эукариот было обусловлено необходимостью синтеза больших и сложных белков в виде структурного шаблона, максимально приближенного к функциональной конформации этих белков, чтобы их фолдинг имел наибольшие скорость и КПД. У прокариот и органелл эукариот (митохондрии, хлоропласты) третий нуклеотид кодонов в генах небольших полипептидов ещё не является информационным, поэтому на нём и наблюдается воблирование по описанному Ф. Криком механизму [12, с. 368]. Это обусловлено отсутствием пула изоакцепторных тРНК с модифицированными нуклеотидами в первом положении антикодона [6, с. 11] и нередко отсутствием филогенетически более молодых областей в структуре тРНК [15, с. 6730], т.е. недоразвитием звена, реализующего информацию третьего нуклеотида.
Выше изложенные положения легли в основу алгоритма компьютерных программ Secondary Structure Protein (SSP) и Three-dimension Structure Protein (TSP), которые по нуклеотидной последовательности мРНК позволяют смоделировать схему вторичной структуры и визуализировать индивидуальный структурный шаблон любого белка. Эту первичную информацию о белке можно использовать в дальнейшем моделировании фолдинга функциональной конформации белка с учетом физ-химии его микроокружения, посттрансляционных модификаций, взаимодействия с лигандами методами молекулярной динамики наравне с информацией о наиболее стабильном конформере, которую извлекают из рентгенограмм кристаллов белков. Преимущество данного подхода состоит в возможности быстрого моделирования индивидуальной пространственной структуры отдельной молекулы любого белка (даже если он не кристаллизуется, и никогда не сворачивается, как, например, регулятор клеточного деления Sic1 [11, с. 152]) с точностью до электрона (пикотехнология), опираясь лишь на информацию о нём в геноме. То есть, мы in silico воспроизводим трансляцию генетической информации в индивидуальный структурный шаблон белка, а не занимаемся поиском самой стабильной или «быстро достигаемой» устойчивой его конформации из 10100 возможных [14, с. 44], как это происходит при конформационном анализе поверхности потенциальной энергии молекулы белка громоздкими методами систематического поиска, Монте-Карло или молекулярной динамики с целым рядом ограничений и приближений [10, с. 41]. Не исключено, что большинство белков именно из конформации своего структурного шаблона максимально быстро, а главное однозначно, фолдируют в нативную конформацию с минимумом свободной энергии, формируя, таким образом, «устойчивое большинство» конформационно лабильного белкового пула.

Рис. 3. Пикотехнологические модели структурных шаблонов некоторых белков и их комплексов.
В последнее время А.С. Спирин, отклоняясь от постулата о матричном синтезе белка в виде развёрнутой полипептидной цепочки [7, с. 5], предположил, что в самой рибосоме полипептид синтезируется сразу в виде α-спирали и по желобу выталкивается наружу по мере трансляции мРНК [8, с. 437]. Этой прогрессивной гипотезе, которая основывается на подавляющем (74%) большинстве «спиральных» кодонов в генах эукариот, остался один шаг до представления о трансляции структурного шаблона белка не только в виде α-спирали.
С помощью пикотехнологии были декодированы и смоделированы структурные шаблоны более 100 белков (рис. 3), сопоставительный анализ которых с экспериментальными данными Protein Data Bank (PDB) позволил подтвердить предположение о генетически закодированных размерах и местоположении конформеров вторичной структуры в нативной конформации этих белков [18, c. 348].
Итак, пикотехнология – это современный, точный и удобный методологический подход в арсенале молекулярной биологии для моделирования пространственной структуры белков, исходя из той информации генома о них, которой располагает сама клетка.

Список литературы

1.     Кушелев А., Полищук С., Писаржевский С. Формы, механизмы, энергия наномира: Доступна ли энергия эфира для космических полётов? // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2002. – № 6. – С.72–76.
2.     Кушелев А.Ю., Полищук С.Е., Неделько Е.В. и др. Построение масштабной модели структуры белка // Актуальные проблемы современной науки. – 2002. – № 2. – С. 236–243.
3.     Нанонаука и нанотехнологии: энциклопедия систем жизнеобеспечения / Моск. гос. техн. ун-т им. Н. Э. Баумана; ред. О. О. Аваделькарим; гл. ред.: Чуньли Бай, С. П. Капица. — М.: Магистр-Пресс : Изд-во ЮНЕСКО : EOLSS, 2009. — 991 с.
4.     Огжевальский З.И. 1972. Пространственные модели атомов, молекул и кристаллов. Москва, 1972. – 118 c.
5.     Соколик В.В. Карта Рамачандрана: ротамерия пептидной связи и фолдинг белка // VII Международная научно-техническая конференция «Актуальный вопросы биологической физики и химии». БФФХ-2011, Севастополь. – 2011. – С.137–139.
6.     Соколик В.В. Загадка изоакцепторных тРНК // II Всероссийская Интернет-Конференция «Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии», Казань. – 2011. – С. 11-15.
7.     Спирин А.С. Биосинтез белка: элонгация полипептида и терминация трансляции // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – № 6. – С. 2–7.
8.     Спирин А.С. Молекулярная биология: рибосомы и синтез белка. – М: «Академия», 2011. – 496 с.
9.     Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. - М.: Книжный дом «Университет», 2002. – 298 с.
10. Хёльтье Х.-Д., Зиппль В., Роньян Д., Фолькерс Г. Молекулярное моделирование. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 320 с.
11.  Chouard T. Structural biology: Breaking the protein rules // Nature. – 2011. – V. 471, № 7337. – P. 151–153.
12. Crick F.H.C. The Origin of the Genetic Code // J. Mol. Biol. – 1968. – V. 38. – P. 367–379.
13. Fink A.L. Natively unfolded proteins // Curr. Opin. Struct. Biol. – 2005. – V.14, № 1. – P. 35-41.
14. Levinthal C. Are there pathways for protein folding // J. Chim. Phys. – 1968. – V. 65. – P. 44–45.
15. Maizels N., Weiner A.M. Phylogeny from function: Evidence from the molecular fossil record that tRNA originated in replication, not translation. // Proc.Nat.Acad.Sci.USA. – 1994. – V. 91, № 15. – P. 6729–6734.
16. Ratner M., Ratner D. Nanotechnology: a gentle introduction to the next big idea, 2003. – 195 p.
17. Snelson K. A design for the atom // Industrial design. – 1963. – № 1. – P. 48–57.
18. Sokolik V.V. Protein is coded in genome and synthesized in ribosomes as a structural template of a rotameric version sequence of peptide bound configuration // The International Moscow Conference on Computational Molecular Biology, МССМВ-11, Moscow. – 2011. – P. 347–348.
19. Sokolik V.V. Modeling of the individual structural template of protein on determining it nucleotide sequences // VII Международная конференция по биоинформатике, регуляции и структуры геномов и системной биологии. BGRS\SB-2010, Новосибирск. – 2010. – С. 275.
20. Sokolik V.V. Algorithm of protein structural template decoding according to its determined nucleotide sequence // Fist International Conference “Fundamental medicine: From scalpel toward Genome, Proteome and Lipidome”, Pax Grid Virtual Conferences, Kazan. – 2011. – P. 117–119.

Подписи под иллюстрациями.

Рис. 3: Гистоновый комплекс 5 H2A + Н2В_DROME (P84051, P02283)
Шаперон A0KFQ4_AERHH (A0KFQ4)
Суперспираль коллагена CO2A1_HUMAN (Р02458)
Белковый комплекс τ-протеина с α-тубулином  TAU_HUMAN + TBA1A_HUMAN
Инсулин INS_HUMAN (Р01308)
Лизоцим LYSC_CHICK (P00698)
Рибонуклеаза Н1 RNH_ECOLI (P0A7Y4)
Аполипопротеин Е APOE_HUMAN (P02649) Гемоглобин (А-цепь) HBA_HUMAN (P69905) 

В формате Word

В графическом формате  

Обсуждение.

Лаборатория Наномир готова к любому взаимовыгодному сотрудничеству. У нас есть  сторонники как явные, которые помогают морально и материально, есть очень много пассивных наблюдателей, есть и ярые противники, которые используют любые методы и средства (аморальные и просто преступные), чтобы уничтожить работу лаборатории и дискредитировать ее.

В одиночку внедрить технологии, выводящие цивилизацию на новый уровень,  невозможно. Благодаря поддержке множества заинтересованных людей проделана огромная работа. Ознакомиться с её результатами можно изучив материал рассылки "Новости лаборатории Наномир". Люди науки могут изучить научные труды.

Вклад каждого не останется незамеченным  в случае успеха в реализации научных проектов. Результаты совместной деятельности принадлежат участникам проекта пропорционально коэффициентам творческого и финансового участия.

Основные разработки: 

 Микроволновый источник энергии

В 2011 году были куплены рубиновые шарики для эксперимента на сумму ~1000 долл. В результате было сделано научное открытие, проверена защита диэлектрических резонаторов от перенапряжения. В этом году, вероятно, можно будет создать микроволновую энергетику, т.к. удалось найти сырьё (рубин #8), из которого сделаны рубиновые шарики для эксперимента в Дубне.

Параллельно началась серия экспериментов на ускорителе "B" в диапазоне 20 ... 140 ГГц. 

  "Эликсир вечной молодости"

28 сентября 2011г. в институте геронтологии (г.Киев) начался эксперимент по созданию "эликсира вечной молодости". Благодаря первому взносу (в размере 500 долларов) Золдракса и поддержке других соинвесторов. Продолжаются переговоры с потенциальными инвесторами по поводу финансирования этого проекта.

Программа исследований Презентация

  Пикотехнология 

Созданы первые версии пикотехнологии (выпуски рассылки 212 270 271 272 ), с помощью которой Александр Кушелев и Виктория Соколик сделали более10 научных открытий.

Виктория Соколик: Уважаемые коллеги, Вашему вниманию предоставляется услуга -- моделирование 2D и 3D структуры любого белка без ограничений в его размере и степени изученности с помощью программного обеспечения, базирующемся на принципиально новом подходе декодирования нуклеотидной последовательности, детерминирующей данный белок.

Всё, что необходимо от заказчика, это нуклеотидная последовательность мРНК интересующего его белка (или код этой нуклеотидной последовательности в EMBL, или хотя бы код самого белка в PDB).

В течение 1-3 суток мы готовы предоставить Вам схему вторичной структуры заказанного белка (2D), модель его пространственной структуры (3D) в виртуальном пространстве, а также файл .pdb с координатами каждого атома белка. 

Файл .pdb может быть использован по аналогии с файлами закристаллизованных белков из PDB банка для дальнейшего конформационного анализа белка методами молекулярной динамики с учётом физико-химической специфики микроокружения белка или его взаимодействия с лигандами.

Таким образом, Вы сможете максимально быстро удобным для Вас способом (по электронной почте, на сайте либо на электронном носителе) получить информацию о структурном шаблоне Вашего белка.

Первые 10 заказов -- бесплатно . Цена следующих заказов -- договорная. 

 Сотрудничество может быть различным:

- участие в научных дискуссиях на форуме (конструктивное)

- совместное создание коммерческого продукта

- поиск инвесторов

- выступить менеджером по продаже готовых коммерческих продуктов

- конструктивные предложения по продвижению идей лаборатории Наномир

- содействие в проведении экспериментов и т.п.

- написание совместных научных статей и т.п.

- материальный вклад (денежный или обеспечение оборудованием и материалами)

Пожалуйста, сообщайте о своем вкладе, чтобы мы зачли Вас как партнера лаборатории Наномир.