Введение к работе
Актуальность проблемы. Установление связи между структурной организацией белков и их функциональными свойствами представляет одну из фундаментальных проблем современной биохимии. Консервативные позиции в структурах гомологичных ферментов, связанные особыми ограничениями на изменчивость в процессе эволюции и потому содержащие аминокислоты одного функционального типа, как правило важны для обеспечения общей функции в семействе. В то же время ферменты одного семейства, обладая, например, общим каталитическим механизмом, могут значительно различаться по другим функциональным свойствам. Актуальным является поиск и изучение таких специфических позиций в структурах белков одного семейства, изменчивость которых в процессе эволюции привела к разнообразию их функциональных характеристик (субстратной специфичности, стереоселективности, стабильности и др.). Широкие возможности для решения этой задачи предоставляют методы биоинформатики и молекулярного моделирования, эффективность которых в последнее время постоянно растет в связи с развитием суперкомпьютерных технологий.
Цели и задачи исследования. Целью исследования являлась разработка алгоритма поиска специфических позиций в структуре белка (специфических позиций подсемейства), изменчивость которых в процессе эволюции привела к разнообразию функциональных характеристик в семействе ферментов (субстратной специфичности, стереоселективности, стабильности и др.), на основе анализа геномной и структурной информации, а также реализация алгоритма в виде программного кода для ЭВМ;
разработка метода биоинформатического анализа для определения специфических позиций больших семейств ферментов;
биоинформатический анализ роли специфических позиций в определении типа катализируемой реакции в суперсемействе альфа-бета гидролаз - одной из наиболее крупных групп ферментов со схожей структурной организацией и широким разнообразием типов активностей;
биоинформатический анализ роли специфических позиций в формировании субстратной специфичности D-аминопептидазы из Ochrobactrum anthropi (семейство пенициллинсвязывающих белков).
Научная новизна. Предложен систематический подход для изучения структурно-функциональных взаимосвязей в семействах ферментов на основе биоинформатического анализа и определения специфических позиций подсемейства. Разработан и реализован в виде программного кода для ЭВМ алгоритм поиска специфических позиций подсемейства. Разработан алгоритм сравнительного анализа удаленных гомологов на уровне структурной
организации активных центров. Биоинформатический анализ впервые применен для изучения вариабельных аминокислотных остатков, определяющих разнообразие свойств суперсемейств ферментов альфа-бета гидролаз и пенициллинсвязывающих белков.
Практическая значимость работы. Программа поиска специфических позиций подсемейств и метод биоинформатического анализа могут быть использованы при изучении эволюции ферментов, особенностей структурной организации их активных центров и механизма действия. Сравнение удаленных гомологов позволяет изучать ферменты различных классов и охватить широкое разнообразие свойств. Информация о специфических позициях подсемейства может быть использована для получения ферментов с заданными свойствами и открывает принципиально новые возможности дизайна биокатализаторов.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных конференциях: Международном конгрессе по биокатализу Biocat2010, Гамбург, Германия, 2010 г.; Международной конференции "Biocatalysis-2009: Fundamentals&Applications", Архангельск, 2009 г.; Международной конференции «Moscow Conference on Computational Molecular Biology», Москва, 2009 г.; Симпозиуме «ESF-EMBO symposium "Protein Design and Evolution for Biocatalysis"», Сан-Фели-де-Гюксольс, Испания, 2008 г.; Второй международной конференции «2nd International Conference "Biocatalysis in Non-Conventional Media"» Москва, 2008 г.; Научно-практической конференции "Живые Системы" ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", в 2008 и 2009 г.г., Москва; Конференциях «Ломоносов-2010», Москва, 2010 г. и «Ломоносов-2008», Москва 2008 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, постановки задачи, описания методов и протоколов расчетов, результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц и 57 рисунков.
