Oddělení struktury a dynamiky nukleových kyselin

Hlavním cílem našeho výzkumu je získat nové poznatky o úloze molekulárních interakcí ve struktuře, dynamice, funkci a evoluci nukleových kyselin (RNA, DNA a jejich komplexy s jinými molekulami), včetně chemických procesů, jež vedly ke vzniku života. Náš výzkum je vysoce interdisciplinární a ojedinělý tím, že běžně aplikujeme fyzikálně-chemické metody v oblastech strukturní a molekulární biologie, biochemie a bioinformatiky. V našem výzkumu využíváme především široké spektrum nejmodernějších počítačových technik, včetně molekulově dynamických simulací v explicitním solventu, pokročilých ab initio kvantově-chemických výpočtů a moderní bioinformatiky. V oblasti výzkumu vzniku života máme i vlastní experimentální laboratoř. Vzhledem k interdisciplinaritě našeho výzkumu je náš tým velmi různorodý a zahrnuje biology, biofyziky, biochemiky i fyzikální chemiky. Díky tomu má náš výzkum běžně přesah i do některých dalších oblasti chemie jako je fyzikální, supramolekulární a bioanorganická chemie.

Stručné shrnutí: naším vědeckým cílem je pochopení nejzákladnějších principů strukturní dynamiky, funkce a evoluce DNA a RNA.

Hlavní výzkumné metody využívané našem oddělení:

1. Klasické molekulově dynamické simulace v explicitním solventu (MD) – simulace nám umožňuji studovat velké nukleové kyseliny systémy o stovkách nukleotidu a jejich komplexy s proteiny. Aktuálně dostupné simulace lze provádět na časovém měřítku desítek až stovek mikrosekund, v závislosti na velikosti systému. V rámci MD jsou nukleové kyseliny modelovány na atomistické úrovni a popisovány pomocí klasických potenciálových funkcí známých také jako empirická silová pole (force field). Aproximace obsažené v silových polích představují hlavní limitaci této metody a naše oddělení se mimo jiné intenzivně zabývá jejich vývojem a zlepšováním.

2. Enhanced sampling MD simulace – velkou slabinou klasických MD simulaci je dostupné časové měřítko, které ačkoliv neustále narůstá s každou novou generaci hardwaru, je stále nedostatečná pro popis mnoha významných biologických procesu. Způsobem jak tento problém překonat jsou takzvané enhanced sampling simulace. Nejčastěji probíhají tak, že se použije dodatečný parametr (například vzdálenost proteinu od nukleové kyseliny), jehož prohledávaní je v simulaci následně urychleno modifikaci základního silového pole. Slabinou enhanced samplingu je to, že zjednodušuje podstatu studovaného problému a často také zvýrazňuje problémy silového pole. Druhého jmenovaného lze nicméně cíleně použít při testování nových verzí silových polí.

3. Ab initio kvantově chemické (QM) výpočty jsou nejmodernější fyzikálně-chemická technika, která poskytuje přesný a fyzikálně úplný popis malých modelových systémů. Technika odhaluje přímé vztahy struktura – energie, které nelze získat žádnou jinou metodou. Tyto výpočty mají nezastupitelnou úlohu při výpočtech povahy a velikosti různých forem molekulární interakce, která vytváří nukleové kyseliny. Patří sem stohování (stacking) bází, konformační preference páteře atd. QM výpočty umožňují rovněž studovat chemické reakce na úrovni změny elektronové struktury.

4. Původ života – naše laboratoř je výborně vybavena k provádění základních chemických a biochemických experimentů. Pokročilé analytické techniky jako je polyakrylová gelová elektroforéza, MALDI-ToF hmotnostní spektrometrie, a HPLC-MS jsou k dispozici ve spolupracujících laboratořích na BFU, CEITEC MU nebo v zahraničí (LMU-Munich). Rovněž intenzivně spolupracujeme s Tescan Brno na zkoumání materiálů pomoci elektronové mikroskopie.

Další využívané metody: Hybridní kvantově-mechanické (QM/MM) metody, Strukturní bioinformatika

Naše moderní výpočetní metody velmi často kombinujeme s experimentálními technikami (NMR, X-ray, vysokoenergetické lasery, biochemické techniky), většinou prostřednictvím vědeckých spoluprací. Spolupracujeme s ~30 zahraničními a českými laboratořemi. Ročně publikujeme asi 15 prací a patříme k nejcitovanějším českým výzkumným skupinám. Úplný seznam našich publikací můžete nalézt na této webové stránce. Disponujeme vynikajícím vlastním počítačovým zázemím, které je pravidelně modernizováno.

V současné době pracujeme v několika vzájemně souvisejících oblastech výzkumu

1. Strukturní dynamika RNA, skládání a katalýza.

2. Protein-RNA komplexy.

3. DNA, se zaměřením na G-kvadruplexy a Hollidayova spojení.

4. Různé typy kvantově-chemických studií systémů nukleových kyselin.

5. Vznik života (prebiotická chemie), tj. vytvoření nejjednoduššího chemického života na naší planetě (nebo kdekoli jinde ve Vesmíru), se zvláštním důrazem na formamidovou dráhu k beztemplátové syntéze prvních molekul RNA. Tento specifický projekt zahrnuje i domácí experimentální výzkum.

Kromě studií specifických systémů se intenzivně zabýváme také testováním/vývojem metod, zejména v oblasti parametrizace molekulárně mechanických silových polí pro DNA a RNA.