Wpływ sekwencji nukleotydowej na kształt kanonicznych i niekanonicznych struktur

Poza standardową dwuniciową helisą, DNA może również przyjmować inne formy strukturalne. Wśród nich, najbardziej intrygujące są G-kwadrupleksy, czteroniciowe struktury tworzone przez sekwencje bogate w guaniny, w których zasady guaninowe formują płaskie tetrady stabilizowane przez wiązania wodorowe Hoogsteena. G-kwadrupleksy są szeroko rozpowszechnione w genomach wielu organizmów, gdzie pełnią istotną rolę w regulacji kluczowych procesów komórkowych, takich jak replikacja, ekspresja genów czy utrzymanie stabilności genomu. Ponadto, ze względu na możliwość projektowania G-kwadrupleksów o określonych właściwościach strukturalnych, znalazły one zastosowanie w bio- i nanotechnologii jako elementy sprzęgające reakcje enzymatyczne, nano-przewody czy komponenty nośników leków.
Sekwencje zdolne do tworzenia G-kwadrupleksów standardowo składają się z czterech G-traktów, tandemowo ułożonych guanin oraz regionów pętlowych o znacznej zmienności, które decydują o topologii i stabilności powstających struktur. Zrozumienie zależności między długością i składem pętli a preferencją do tworzenia określonych form G-kwadrupleksów ma kluczowe znaczenie zarówno dla zrozumienia ich funkcji biologicznej, jak i w kontekście ich wykorzystania aplikacyjnego.
Celem niniejszego projektu jest kompleksowe zbadanie wpływu długości regionów pętlowych na stabilność różnych form strukturalnych G-kwadrupleksów. Przy użyciu symulacji dynamiki molekularnej oraz wyznaczania energii swobodnej, przeanalizujemy zestaw sekwencji o długościach pętli od 1 do 4 nukleotydów, aby określić ich preferencje strukturalne i stabilność energetyczną.
Równolegle, projekt zakłada analizę zależności pomiędzy sekwencją a deformowalnością struktury kanonicznej DNA, dwuniciowej helisy typu B-DNA. Wiadomo, że elastyczność DNA w dużym stopniu zależy od jego sekwencji, a lokalne różnice w sztywności, podatności na wygięcie czy skręcenie mogą wpływać na preferencje wiązania białek. Zjawisko to ma szczególne znaczenie w kontekście rozpoznawania sekwencji przez białka, które nie wiążą się bezpośrednio z zasadami azotowymi, lecz oddziałują z DNA głównie przez mechaniczne dopasowanie do jego zdeformowanej konformacji.
W ramach projektu planujemy zbadać zestaw fragmentów DNA wyizolowanych z eksperymentalnych struktur kompleksów DNA–białko, aby przeanalizować, w jaki sposób lokalna sekwencja wpływa na ich deformowalność. Analiza ta oparta będzie o pełnoatomowe symulacje dynamiki molekularnej oraz metody predykcji różnic energii swobodnej (m.in. alchemiczne przemiany z użyciem cykli termodynamicznych), pozwalające na ocenę podatności danej sekwencji na wygięcie, skręcenie lub inne deformacje.