Białka to jedne z najważniejszych składników naszego organizmu. Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej sprawdzają, jak przewidzieć, które z nich mają tendencje do tworzenia tzw. agregatów amyloidowych i jaki wpływ mają na to ich interakcje z innymi białkami o podobnych właściwościach.
Białka stanowią nawet do 20% masy ciała człowieka. Badania wskazują, że wiele chorób neurodegeneracyjnych, uważanych za choroby cywilizacyjne, ma związek z łączeniem się białek lub ich fragmentów w długie włókna. Białka, które biorą udział w ich tworzeniu nazywane są amyloidami. Większość przypadków amyloidów to efekt błędnego zwinięcia łańcucha białka, np. wówczas, gdy nastąpi częściowe rozwinięcie łańcucha białkowego lub podzielenie go na fragmenty, co prowadzi do odsłonięcia obszarów o skłonnościach amyloidowych.
Niestety, te struktury są bardzo trudno rozpuszczalne i mogą być szkodliwe dla komórek, szczególnie w bardzo wczesnej fazie tworzenia włókna – wyjaśnia prof. Małgorzata Kotulska z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr. – Istnieją jednak też funkcjonalne białka amyloidowe, na przykład bakteryjne, których funkcja wymaga właśnie takiej struktury fibrylarnej i jest ona dla nich naturalna. U ludzi takie funkcjonalne amyloidy to jednak rzadkość.
Badaczka dodaje, że takie struktury znaleziono w mózgu chorych na alzheimera, jak również na parkinsona, stwardnieniu zanikowym bocznym, chorobie Huntingtona, zaćmie, a nawet w cukrzycy typu 2. Ale to nie wszystko. Niektóre amyloidy mogą wpływać na agregację innych białek. Może to nastąpić w wyniku interakcji pomiędzy łańcuchami o różnym składzie aminokwasowym.
Zjawisko to nie zostało dotychczas dobrze poznane – podkrśsla prof. Kotulska. – Na ogół obserwuje się je przy pewnym podobieństwie w sekwencji aminokwasów w oddziałujących ze sobą łańcuchach białkowych. Jednak nie zawsze ten warunek jest konieczny.
Do dziś badacze na całym świecie zastanawiają się, czy takie interakcje pomiędzy białkami są częste i mogą prowadzić do procesów chorobowych. Odpowiedzi na to pytanie szukają również naukowcy z Katedry Inżynierii Biomedycznej PWr.
Amerykański początek
Prof. Małgorzata Kotulska badania nad amyloidami rozpoczęła już w 2010 roku, odbywając staż na Yale University w New Haven.
Zajmowałam się tam modelowaniem struktury białek i analizą miejsc kontaktowych w kanałach białkowych. Tam też natrafiłam na artykuł, w którym wyjaśniano, jak za pomocą charakterystyki kontaktów między aminokwasami w białku, można odkrywać tendencje amyloidowe. To właśnie wtedy – także z przyczyn osobistych, gdyż w rodzinie wystąpiła choroba neurodegeneracyjna – ten temat mnie wciągnął – zaznacza.
Po powrocie do Polski, razem ze swoimi doktorantami i kolegami, zaczęła dokładnie badać tematy związane z modelowaniem białek amyloidowych.
To była czysto obliczeniowa praca, ale zaczęły nam wychodzić ciekawe rzeczy. Dostałam wtedy grant na kontynuację badań związanych z miejscami kontaktowymi, w którym niepostrzeżenie coraz więcej miejsca zaczęły zajmować badania nad przewidywaniem białek amyloidowych. Stworzyliśmy pierwsze nasze narzędzia do badania amyloidów, takie jak: Fish Amyloid – do przewidywania, czy białka mają tendencje do tworzenia agregatów amyloidowych i AmyLoad – baza danych wszystkich znanych białek i peptydów amyloidowych, które udostępniliśmy w Internecie – wylicza.
Temat przyciągnął współpracowników zewnętrznych. Wspólnie z dr. Michałem Burdukiewiczem (wówczas Uniwersytet Wrocławski, obecnie Autonomous University of Barcelona i Uniwersytet Medyczny w Białymstoku) naukowcy z Politechniki Wrocławskiej opracowali kolejne narzędzie do przewidywania własności amyloidowych białek, AmyloGram. Metoda ta wykazuje bardzo wysoką skuteczność działania, jednak nadal ograniczoną głównie do amyloidów patologicznych, których znamy nieporównanie więcej niż amyloidów funkcjonalnych.
Fabryka leków i trucizn
Według niektórych teorii część białek o właściwościach amyloidogennych, które są wytwarzane przez mikrobiom (ogół bakterii znajdujących się w ludzkim jelicie), może się łączyć z ludzkimi białkami wykazującymi pewne tendencje do tworzenia agregatów i tę agregację przyspieszać. Jednym z czynników, który miałby np. wywoływać chorobę Parkinsona, jest agregacja białka o nazwie alfa-synukleina.
Istnieje teoria, która zakłada, że agregacja ta może być przyspieszona przez białka biofilmowe, przypominające amyloidy znane z ludzkiego organizmu, ale naturalne dla bakterii, które żyją w naszym mikrobiomie – mówi prof. Kotulska.
Także nasza wiedza o ludzkim mikrobiomie wciąż jest niewystarczająca. Jakie gatunki bakterii, w jakich sytuacjach są dominujące, co dokładnie wytwarzają, które produkty ich metabolizmu są dla nas przydatne, a które niekorzystne – na te pytania również nie ma dokładnych odpowiedzi.
To, co wiemy na pewno, to fakt, że bakterie, z którymi współistniejemy, produkują bardzo dużo swoich metabolitów, które nieraz mocno na nas mocno oddziałują. Można powiedzieć, że nosimy w sobie taką trochę fabrykę leków albo trucizn dla naszego organizmu – zwraca uwagę prof. Małgorzata Kotulska.
Dlatego tak ważna byłaby wiedza o tym, jaki typ białek może oddziaływać negatywnie na ludzkie białka agregujące. W połączeniu z tym, co już wiemy o naszych organizmach, mogłoby to pozwolić pomyśleć o usuwaniu tych szkodliwych gatunków bakterii. Zespół kierowany przez prof. Kotulską postawił więc przed sobą szereg pytań, na które teraz chce znaleźć odpowiedzi. Kiedy takie interakcje mogą zaistnieć? Jakie właściwości powinny mieć te białka? Jak wyglądają takie agregaty? Czy one są częste? Czy rzeczywiście między nimi dochodzi do interakcji?
Unikalna baza białek
Aby odpowiedzieć chociaż na część z nich badacze z PWr, wspólnie z lekarzami i dr. Burdukiewiczem, stworzyli unikalną w skali światowej bazę danych wszystkich dobrze udokumentowanych eksperymentów dotyczących interakcji amyloidów. Baza AmyloGraph jest w pełni darmowa i dostępna online.
Stworzyliśmy ją po to, aby sprawdzić, czego możemy się spodziewać na podstawie eksperymentów, które już ktoś kiedyś przeprowadził. Mieliśmy nadzieję, że będziemy tu mogli zastosować metody uczenia maszynowego. Ale w tej chwili analizy wskazują, że inne metody mogą się okazać lepsze – wyjaśnia prof. Kotulska.
Okazało się, że takich danych jest co prawda dużo, ale dotyczą tylko tych białek, które badaczy najbardziej interesowały ze względu na ich udział w chorobach. Więc nie dają one pełnej informacji o właściwościach fizyko-chemicznych tych interakcji. Dlatego naukowcy postanowili podejść do tych badań od strony modelowania strukturalnego. I w efekcie stworzyli zupełnie nowe narzędzie: PACT (Prediction of Amyloid Cross-Interaction by Threading).
Posiadane już przez nas dane dotyczyły białek, których forma amyloidowa jest efektem przyjęcia nieprawidłowej struktury – mówi prof. Kotulska. – Ale interesują nas także białka, które mają właściwości amyloidowe naturalnie. To jest ich normalna funkcja, one są ewolucyjnie przygotowane na to, żeby przyjmować takie struktury włókniste. Nie zawsze można je przewidywać identycznymi metodami jak amyloidy patologiczne.
Obecnie we współpracy z dr Moniką Szefczyk z Wydziału Chemicznego PWr syntezowane są krótkie białka i peptydy, na których zespół prof. Kotulskiej sprawdza wyniki przewidywania modeli obliczeniowych. W politechnicznych laboratoriach badane jest m.in. to, czy przez obecność pewnych białek lub peptydów, mogących się pojawić w organizmie ludzkim, inne białko agreguje łatwiej.
W naszym modelu widzimy, kiedy dwa białka powinny wchodzić w interakcje wzajemnie wpływając swoje skłonności do agregacji, ale wciąż nie mamy wiedzy, czy to spowoduje przyspieszenie czy spowolnienie tworzenia włókien – dodaje badaczka.
Wyniki za dwa lata
Projekt „Wyznaczenie wzorów interakcji krzyżowych między białkami amyloidowymi” wciąż trwa. Teraz badania są na etapie eksperymentalnej weryfikacji modelu zbudowanego w oparciu o dane zgromadzone w bazie AmyloGraph. Pełne rezultaty poznamy nie wcześniej niż we wrześniu 2024 r.
Gdyby się okazało, że nasze narzędzia do przewidywania takich interakcji są skuteczne, potwierdzalne eksperymentalnie, a do tego udałoby się nam wytypować i potwierdzić określoną liczbę nieznanych interakcji między białkami ludzkimi a biofilmowymi bakteryjnymi oraz mielibyśmy znaleźli jasne i klarowne przesłanki, jak ten mechanizm działa – wtedy będę usatysfakcjonowana – zapowiada prof. Kotulska.
źródło: PWr