GlycoSHIELD משנה את האופן שבו נוצרות מודל של שרשראות סוכר בחלבונים, ומקלה על פיתוח תרופות עם האלגוריתם המהיר, הידידותי והחסכוני באנרגיה שלה, ומסמנת צעד משמעותי הן במחשוב ירוק והן במחקר רפואי. דגם של מגן הסוכר (ירוק) על קולטן GABAA (אפור) בממברנה (אדום) שנוצר על ידי GlycoSHIELD. קרדיט: Cyril Hanus, Inserm, University Paris-Cité
מדענים יוצרים טכניקה חדשנית לחיזוי מהיר של המורפולוגיה של שכבות סוכר על חלבונים רלוונטיים מבחינה קלינית.
חלבונים ממלאים תפקידים חיוניים בהישרדות התא ומשפיעים באופן משמעותי על התפתחותן והתקדמותן של מחלות. כדי להבין את תפקידם בבריאות ובמחלות, מדענים חוקרים את התצורות האטומיות התלת-ממדיות של חלבונים באמצעות טכניקות ניסוי וחישוב.
מעל 75 אחוז מהחלבונים הנמצאים על פני התאים שלנו מכוסים על ידי גליקנים. מולקולות דמויות סוכר אלו יוצרות מגני הגנה דינמיים מאוד סביב החלבונים. עם זאת, הניידות והשונות של הסוכרים מקשים לקבוע כיצד מגנים אלו מתנהגים, או כיצד הם משפיעים על הקישור של מולקולות תרופות.
Mateusz Sikora, מנהיג הפרויקט וראש מרכז דיוסקורי למידול של שינויים פוסט-תרגום, והצוות שלו בקרקוב ושותפיו במכון מקס פלאנק לביופיזיקה בפרנקפורט אם מיין, גרמניה, התמודדו עם אתגר זה באמצעות מחשבים, בעבודה משותפת עם מדענים ב-Inserm בפריז, באקדמיה סיניקה בטפיי ובאוניברסיטת ברמן. האלגוריתם החדש והעוצמתי שלהם GlycoSHIELD מאפשר מודל מהיר אך מציאותי של שרשראות הסוכר הקיימות על משטחי חלבון. צמצום שעות המחשוב ולכן צריכת החשמל במספר סדרי גודל בהשוואה לכלי הדמיה קונבנציונליים, GlycoSHIELD סולל את הדרך לעבר מחשוב ירוק.
מאלפי שעות ועד כמה דקות
מגן גליקן מגן משפיע מאוד על האופן שבו חלבונים מתקשרים עם מולקולות אחרות כגון תרופות טיפוליות. לדוגמה, שכבת הסוכר על חלבון הספייק של נגיף הקורונה מסתירה את נגיף ממערכת החיסון על ידי כך שהקשה על נוגדנים טבעיים או הנגרמות על ידי חיסון לזהות את הנגיף. למגני הסוכר יש אפוא תפקיד חשוב בפיתוח תרופות וחיסונים. מחקר פרמצבטי יכול להפיק תועלת מחיזוי שגרתי של המורפולוגיה והדינמיקה שלהם. אולם עד כה, חיזוי מבנה שכבות הסוכר באמצעות הדמיות ממוחשבות היה אפשרי רק עם ידע מומחה על מחשבי-על מיוחדים. במקרים רבים נדרשו אלפי או אפילו מיליוני שעות מחשוב.
עם GlycoSHIELD, הצוות של Sikora מספק חלופה מהירה וידידותית לסביבה בקוד פתוח. "הגישה שלנו מפחיתה את המשאבים, את זמן המחשוב ואת המומחיות הטכנית הדרושה", אומר סיקורה. "כל אחד יכול כעת לחשב את הסידור והדינמיקה של מולקולות סוכר על חלבונים במחשב האישי שלו בתוך דקות, ללא צורך בידע מומחה ובמחשבים בעלי ביצועים גבוהים. יתר על כן, הדרך החדשה הזו לערוך חישובים היא מאוד יעילה באנרגיה." התוכנה יכולה לשמש לא רק במחקר, אלא גם יכולה להועיל לפיתוח תרופות או חיסונים, למשל באימונותרפיה לסרטן.
פאזל עשוי סוכר
איך הצוות הצליח להגיע לעלייה כה גבוהה ביעילות? המחברים יצרו וניתחו ספרייה של אלפי תנוחות תלת-ממדיות ככל הנראה של הצורות הנפוצות ביותר של שרשראות סוכר על חלבונים המצויים בבני אדם ובמיקרואורגניזמים. באמצעות סימולציות וניסויים ארוכים, הם מצאו כי לניבוי אמין של מגני גליקן, מספיק שהסוכרים המחוברים לא יתנגשו בממברנות או בחלקים מהחלבון.
האלגוריתם מבוסס על ממצאים אלו. "משתמשי GlyoSHIELD צריכים רק לציין את החלבון ואת המיקומים שבהם הסוכרים מחוברים. לאחר מכן, התוכנה שלנו תמהה אותם על פני החלבון בסידור הסביר ביותר", מסביר סיקורה. "נוכל לשחזר את מגני הסוכר של חלבון הספייק במדויק: הם נראים בדיוק כמו מה שאנחנו רואים בניסויים!" עם GlycoSHIELD ניתן כעת להשלים מבני חלבון חדשים וקיימים עם מידע על סוכר. המדענים השתמשו גם ב-GlycoSHIELD כדי לחשוף את דפוס הסוכרים בקולטן GABAA, מטרה חשובה עבור תרופות הרגעה וחומרי הרדמה.
הצלחה למרכז דיוסקורי
מרכזי דיוסקורי ביוזמת אגודת מקס פלנק נועדו לסייע בחיזוק והרחבת המחקר המצוין במרכז ומזרח אירופה. מאז מאי 2023, Mateusz Sikora, לשעבר חוקר פוסט-דוקטורט במכון מקס פלנק לביופיזיקה, מקבל תמיכה כספית בתוכנית הממומנת באופן דו-צדדי כראש מרכז Dioscuri למודלים של שינויים פוסט-תרגום שנוצר באוניברסיטת Jagiellonian בקרקוב, פולין.
גרהרד האמר, ראש המחלקה לביופיזיקה תיאורטית במכון מקס פלנק לביופיזיקה, תומך בו כשותפו מגרמניה וגם תרם לעבודה זו. לאחר פחות משנה, סיקורה כבר זכה להצלחה גדולה עם האלגוריתם הירוק שלו ועוזר לקדם את פולין כמקום מחקר אטרקטיבי ותחרותי.
