Введение к работе
Актуальность. Фундаментальная роль высокомолекулярных соединений (ВМС) в организации живых систем определяет ключевое значение химии ВМС в решении многих актуальных проблем медицины. Так, поиск лекарственных средств на уровне только низкомолекулярных соединений (НМС) вступает в объективное несоответствие с тем обстоятельством, что в большинстве случаев мишенями лекарственной терапии являются белки - биологические полимеры, склонные к самоорганизации в нано объекты. "Малая молекула" НМС способна к контакту лишь с локальным участком белковой (нано) мишени, оставляя преобладающую часть макромолекулы свободной от воздействия. Поэтому в результате мутаций болезнетворных микроорганизмов их белковые компоненты быстро выходят из-под лекарственного контроля. Это становится критически актуальной проблемой в случае заболеваний, вызываемых инфекционными агентами повышенной мутационной изменчивости. К их числу относится вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) - возбудитель заболевания СПИД. В этих случаях традиционные НМС-лекарства, а также вакцины, становятся малоэффективными, и возникает острая необходимость создания лекарств нового поколения - на уровне ВМС, адекватно-соразмерных белковым мишеням и искусственно "программируемых" на многоточечную избирательную блокаду таких мишеней. Анализ предшествовавших исследований в этой области позволяет выделить синтетические полиэлектролиты на основе гете-рофункционально модифицированных производных чередующихся сополимеров малеиново-го ангидрида, среди сотен опытных образцов которых выявлены высокоактивные ингибиторы репродукции ВИЧ. Их биологические испытания на экспериментальных моделях инфицирования клеток (in vitro) показали, что блокируется ранний этап проникновения вируса в клетку, предположительно, - слияние (фузия) вирусной оболочки с клеточной мембраной. Однако эксперимент in vitro не дает четкого понимания молекулярных механизмов блокады, что делает актуальным молекулярное моделирование взаимодействий синтетических полимеров с белковыми медиаторами фузии в вычислительном эксперименте (in silico).
Для определения возможных мест связывания лекарства с мишенью широко используется докинг. При этом гибкость структуры лиганда моделируется либо множеством жестких конформаций, либо одной конформацией, которая в процессе докинга подвергается изменениям. Однако в реальном времени вычислительного эксперимента оба подхода практически не применимы к макромолекуле как единому целому в силу ее огромной "конформа-ционной ёмкости"*. Поэтому не менее актуальной являлась задача выработки стратегии рациональной фрагментации моделей макромолекул для реализации докинга и анализа его результатов в целях исследования механизмов взаимодействий полимеров с мишенью.
9 Я 2/2 3/2
* количество конформеров молекулы НМС может достигать 10 -10 , а и-мерных ВМС > 10 - 10 .
Цель работы - исследование методами компьютерного моделирования потенциальных механизмов блокирующего воздействия гетерофункционально модифицированных анионных полиэлектролитов в ряду производных сополимеров малеинового ангидрида на белковые (нано) медиаторы слияния оболочки ВИЧ с клеточной мембраной.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести анализ химической организации природных полимерных объектов белковой природы, опосредующих слияние вирус - клетка, в качестве потенциальных мишеней воздействия синтетических полиэлектролитов анионного типа.
Выработать алгоритм моделирования взаимодействий белковых мишеней с синтетическими полимерами (гетерогенно модифицированными сополимерами малеиновой кислоты) в рамках программных инструментов компьютерного моделирования методами до-кинга и молекулярной динамики.
Получить данные о местах локализации, химической природе и уровнях энергии межмолекулярных контактов структурных компонент исследуемых синтетических полимеров с белковой мишенью в вычислительном эксперименте докинга и дать интерпретацию потенциальных молекулярных механизмов блокады вирусной фузии.
4. Провести выборочное тестирование молекулярных моделей, приближенных к
масштабам материальных цепей исследуемых полимеров, в вычислительном эксперименте
молекулярной динамики. Сравнить результаты молекулярной динамики с результатами до
кинга. Оценить возможности модуляции поведения полимерного остова при варьировании
его мономерного состава, и внедрении в цепь центров псевдоживой полимеризации.
5. Выполнить сравнительный анализ результатов вычислительного (in silico) экспери
мента в сопоставлении с данными биологических испытаний (in vitro) опытных образцов
реальных полимеров. Сформулировать основы и перспективы направленного синтеза инги
биторов ВИЧ повышенной эффективности на этапе блокады вирусной фузии.
Научная новизна. Впервые методами докинга и молекулярной динамики выполнено компьютерное моделирование синтетических анион- и алицикл-модифицированных чередующихся сополимеров малеиновой кислоты в качестве агентов блокады биополимерных (нано) медиаторов слияния оболочки ВИЧ с плазматической мембраной клетки человека.
Предложен и реализован 7-уровневый алгоритм моделирования по принципу последовательных (пошаговых) приближений от частных компонент химической структуры полимеров к целостным полимерным цепям, что сделало возможным применение процедуры докинга для более адекватного моделирования полимер-полимерных взаимодействий.
Впервые сформулированы параметры «программирования» химической структуры макромолекул на эффективную блокаду триспирального (№Ж)з (нано) комплекса белков
gp41 вирусной оболочки - ключевого инициатора слияния ВИЧ с клеткой. Показана возможность «переключения» способа блокирующего воздействия полимера на мишень с «аксиального» на более эффективный «опоясывающий» или «комбинированный».
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования и направленного синтеза новых лекарственных соединений против СПИДа и родственных заболеваний. Практическая значимость результатов обоснована корреляцией данных вычислительного экспериментов с данными биологических испытаний.
Разработанные и апробированные подходы к моделированию исследованных рядов гетерофункциональных полиэлектролитов представляют практическую ценность для развития методологии компьютерного моделирования применительно к специфике синтетических полимеров и их взаимодействий с биополимерными (нано) объектами на базе программных инструментов докинга и молекулярной динамики.
Личный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль на всех этапах исследования: выборе направления, постановке задач, планировании и проведении экспериментов, обработке полученных данных, обсуждении результатов.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на российских и международных конференциях: по противовирусным исследованиям (София, Болгария, 2011), по иерархически структурированным полимерам (Гаргнано Лаго ди Гарда, Италия, 2010), по биоинформатике (NIAID - ISTC, Москва, 2010, 2011), "Пластмассы со специальными свойствами" (Санкт-Петербург, 2011); международной школе "Наноматериалы и нанотех-нологии в живых системах. Безопасность и наномедицина" (Московская область, пансионат «Заря», 2011), 19-м Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), европейском полимерном конгрессе (Грац, Австрия, 2009; Гранада, Испания, 2011).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 14 печатных работах, из них 5 публикаций в рецензируемых журналах и 9 - в сборниках тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), результатов и их обсуждения (глава 2), экспериментальной части (глава 3), выводов и списка цитируемой литературы (205 наименований). Диссертация изложена на 135 страницах, содержит 15 таблиц и 35 рисунков.
