Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB) – dr Joanna Śmietańska - Nowak
Tytuł projektu
Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB) – dr Joanna Śmietańska - Nowak
Nazwa Beneficjenta/Beneficjentów
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Nazwa programu
Program Operacyjny Wiedza Edukacja Rozwój
Konkurs
Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB)
Wartość projektu
10 123 883,00 zł na 75 beneficjentów
Wartość dofinansowania
134 895,00 zł na jednego doktoranta
Okres realizacji projektu
od 1.09.2017 r. do 31.08.2022 r. (przedłużony do 31.10.2023)
Poznaj nasz zespół
Zespół badawczy
Dr Joanna Śmietańska-Nowak, dr Ireneusz Bugański, dr Radosław Strzałka, dr Joanna Śliwiak (IChB PAN, Poznań), prof. dr hab. Janusz Wolny, prof. dr hab. Mariusz Jaskólski (IChB PAN/UAM, Poznań)
Jaki problem rozwiązuje nasz projekt?
W ciałach stałych materiały krystaliczne cechuje uporządkowane ułożenie atomów (jonów lub cząsteczek) w przestrzeni trójwymiarowej. Poznanie struktury kryształów przy pomocy promieniowania elektromagnetycznego, wymaga zastosowania promieniowania rentgenowskiego. W wyniku rozpraszania tego promieniowania na elektronach atomów należących do kryształu otrzymuje się mapy gęstości elektronowej, których kształt dość dobrze odwzorowuje kształt cząsteczki i umożliwia jej identyfikację. Krystalizować można nie tylko substancje nieorganiczne, ale także białka – już w 1840 opisano kryształy hemoglobiny dżdżownicy, ale prawdziwymi krokami milowymi było zbadanie struktury białka mioglobiny wieloryba pod koniec lat. 50 XX wieku oraz zarejestrowanie obrazów rentgenowskich włókien DNA w 1953 roku. Od tej pory krystalografia białek rozwija się niezwykle prężnie dostarczając co roku tysiące nowych struktur. Nie wszystkie kryształy są idealnie uporządkowane, a zjawisko zaburzenia struktury kryształu i powtarzającego się okresowo przesunięcia atomów z ustalonych położeń nosi nazwę modulacji struktury. Jest to bardzo rzadka, wręcz unikatowa cecha wśród kryształów białek. Brak komercyjnie dostępnego oprogramowania utrudnia systematyczną analizę zjawiska modulacji kryształów białek. Nasz projekt pomógł dokładnie opisać i przeanalizować strukturę dwóch modulowanych kompleksów białka Hyp-1 (z ziela dziurawca zwyczajnego) z cząsteczką ANS. Przeprowadzone badania pozwoliły przygotować dokładne modele modulowanego białka oraz przyjrzeć się poziomowi nieuporządkowania struktury. Ze względu na brak powszechnie dostępnego oprogramowania przygotowaliśmy pionierski zestaw skryptów, które pozwalają analizować dane eksperymentalne aż do etapu otrzymania modelu z dokładnością do pojedynczego atomu, który był następnie poprawiany (udokładniany), aby osiągnąć jak najwyższy stopień zgodności z wynikami eksperymentu.
Kto skorzysta z wyników projektu?
Rezultaty projektu stanowią istotne poszerzenie wiedzy o zjawiskach związanych z zaburzeniami uporządkowania kryształów. Zjawisko modulacji struktury jest stosunkowo dobrze poznane w krystalografii małocząsteczkowej, ale jego występowanie w makromolekularnych kryształach białkowych było zaskakujące. Dzięki rezultatom projektu udało się dokładnie opisać dwie niezwykle rozbudowane (ok. 50 000 atomów każda) struktury modulowanych kompleksów białka Hyp-1 z ANS, a także przygotować oprogramowanie, które umożliwia rutynową analizę struktur modulowanych. Osiągnięte wyniki są istotne nie tylko dla krystalografów, ale także biologów strukturalnych, gdyż białko Hyp-1 zostało otrzymane z ziela dziurawca zwyczajnego wykazującego właściwości lecznicze oraz udowodniono, że białko to może odgrywać rolę w transporcie aktywnych biologicznie fitohormonów, takich jak melatonina.
Co było dla nas największym wyzwaniem w realizacji projektu?
Istotnym wyzwaniem jest ilość danych wymaganych do przetworzenia. Eksperyment dostarcza setek tysięcy refleksów (odbić promieniowania rentgenowskiego od cząsteczek kryształu), które są następnie poddawane analizie w celu wstępnego odtworzenia modelu obiektu na poziomie pojedynczych atomów. W przypadku modulowanych struktur Hyp-1 z ANS modele te były bardzo rozbudowany i każdy z nich obejmował ok. 50 000 atomów. Modele były następnie udoskonalane (udokładniane) względem danych doświadczalnych, co wymagało wprowadzenia dodatkowych parametrów, więzów określających dopuszczalne długości wiązań i kątów w strukturze, a to pochłaniało znaczne zasoby obliczeniowe. Z tego powodu niezbędne było zastosowanie komputerów o dużej mocy obliczeniowej.