Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук. —
Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2014. — 317 с.
Специальность 02.00.10 – Биоорганическая химия
Цель работы – разработать подходы к
молекулярно-динамическому моделированию НК (ДНК и РНК), найти и
описать конформационную динамику для нуклеиновых кислот разного
размера и сложности. Используя разработанные алгоритмы и подходы,
найти варианты решений фундаментальных и прикладных задач для
систем, в которых нуклеиновые кислоты играют ключевую роль.
Научная новизна и практическая значимость.
Все результаты работы получены впервые и не описаны ранее в научной литературе. В ходе работы былпредложен новый подход к компьютерному моделированию структуры больших супрамолекулярных комплексов, основанный на упрощённом представлении нуклеотидов и аминокислот. На основе разработанного подхода впервые были предложены структуры комплексов тмРНК с рибосомой на разных этапах элонгации трансляции. Последующие данные о структуре тмРНК, полученные экспериментально, подтвердили высокое качество моделирования. Наличие пространственных ограничений было ключевым фактором, который позволил использовать упрощённые модели при сохранении точности моделирования.
–В работе впервые, по данным моделирования молекулярной динамики комплексов производных тилозина с рибосомным тоннелем, предсказана ингибирующая активность производных тилозина по отношению к рибосоме E.coli. В работе создано полноатомное локальное окружение антибиотика в рибосоме.
–Впервые было показано, что эффективность ингибирования элонгации трансляции тилозиновыми производными связано с образованием сетки водородных связей, которые позиционируют альдегидную группу лактонного кольца для формирования ковалентной связи.
– Впервые предложена классификация малых G-квадруплексных ДНК по топологии петель на основе геометрического описания структуры самого квадруплекса. С помощью разработанной классификации были сделаны предположения о влиянии топологии на структурную стабильность и динамическое поведение G-квадруплексных структур.
Применение метода моделирования молекулярной динамики к минимальному 15-звенному квадруплексу ДНК впервые позволило продемонстрировать, что латеральные петли могут оказывать на квадруплекс как стабилизирующее, так и дестабилизирующее влияние, в зависимости от длины и петель последовательности нуклеотидов.
– Впервые показано, что произвольное направленное перемещение катиона металла в центральную полостьк вадруплекса может быть сложным процессом, который проходит различными путями. В ходе этого процесса возможны значимые структурные перестройкив G-квадруплексе. Установлено, что эффективное хелатирование катионов в центре минимального 15-звенного квадруплекса определяется действием латеральных петель: подвижность петель уменьшает вероятность диссоциации комплекса с катионом.
Полученные результаты имеют не только фундаментальную научную ценность; они были использованы для создания нового вещества антитромботического действия на основе ДНК-аптамера к тромбину:RA-
36. В in vitro и in vivo экспериментах RA-36 показал высокую эффективность и низкую токсичность и в настоящее время время проходит формализованные доклинические испытания для регистрации в качестве лекарственного средства. Понимание структурной динамики аптамера к тромбину было использовано для создания сенсоров для определения концентрации тромбина. В качестве основы сенсора был выбран электропроводник на основе углеродных нанотрубок.
–Впервые предложен механизм работы аптасенсора. В настоящее время проводится оптимизация опытных образцов аптасенсоров к тромбину.
Научная новизна и практическая значимость.
Все результаты работы получены впервые и не описаны ранее в научной литературе. В ходе работы былпредложен новый подход к компьютерному моделированию структуры больших супрамолекулярных комплексов, основанный на упрощённом представлении нуклеотидов и аминокислот. На основе разработанного подхода впервые были предложены структуры комплексов тмРНК с рибосомой на разных этапах элонгации трансляции. Последующие данные о структуре тмРНК, полученные экспериментально, подтвердили высокое качество моделирования. Наличие пространственных ограничений было ключевым фактором, который позволил использовать упрощённые модели при сохранении точности моделирования.
–В работе впервые, по данным моделирования молекулярной динамики комплексов производных тилозина с рибосомным тоннелем, предсказана ингибирующая активность производных тилозина по отношению к рибосоме E.coli. В работе создано полноатомное локальное окружение антибиотика в рибосоме.
–Впервые было показано, что эффективность ингибирования элонгации трансляции тилозиновыми производными связано с образованием сетки водородных связей, которые позиционируют альдегидную группу лактонного кольца для формирования ковалентной связи.
– Впервые предложена классификация малых G-квадруплексных ДНК по топологии петель на основе геометрического описания структуры самого квадруплекса. С помощью разработанной классификации были сделаны предположения о влиянии топологии на структурную стабильность и динамическое поведение G-квадруплексных структур.
Применение метода моделирования молекулярной динамики к минимальному 15-звенному квадруплексу ДНК впервые позволило продемонстрировать, что латеральные петли могут оказывать на квадруплекс как стабилизирующее, так и дестабилизирующее влияние, в зависимости от длины и петель последовательности нуклеотидов.
– Впервые показано, что произвольное направленное перемещение катиона металла в центральную полостьк вадруплекса может быть сложным процессом, который проходит различными путями. В ходе этого процесса возможны значимые структурные перестройкив G-квадруплексе. Установлено, что эффективное хелатирование катионов в центре минимального 15-звенного квадруплекса определяется действием латеральных петель: подвижность петель уменьшает вероятность диссоциации комплекса с катионом.
Полученные результаты имеют не только фундаментальную научную ценность; они были использованы для создания нового вещества антитромботического действия на основе ДНК-аптамера к тромбину:RA-
36. В in vitro и in vivo экспериментах RA-36 показал высокую эффективность и низкую токсичность и в настоящее время время проходит формализованные доклинические испытания для регистрации в качестве лекарственного средства. Понимание структурной динамики аптамера к тромбину было использовано для создания сенсоров для определения концентрации тромбина. В качестве основы сенсора был выбран электропроводник на основе углеродных нанотрубок.
–Впервые предложен механизм работы аптасенсора. В настоящее время проводится оптимизация опытных образцов аптасенсоров к тромбину.