Supercomputer HPC: Applications

Układowe infekcje grzybicze są jednym z najpoważniejszych wyzwań współczesnej medycyny. Obecnie obserwuje się stały wzrost zakażeń wywołanych przez grzyby, głównie z rodziny Candida oraz Aspergillus. Wzrasta również częstość zakażeń wywołanych przez szczepy oporne. W profilaktyce i leczeniu grzybic układowych stosuje się cztery grupy antybiotyków, w tym m. in. makrolidy polienowe. Aromatyczne makrolidy heptaenowe (AMH) należą do grupy przeciwgrzybowych antybiotyków polienowych. Nie-aromatyczni "kuzyni" AMH mają istotne znaczenie kliniczne, zarówno w leczeniu grzybic zewnętrznych (Nystatyna) jak i układowych (Amfoterycyna B, AmB). Związki należące do grupy AMH do tej pory nie znalazły szerokiego zastosowania w medycynie. Wynika to z ich bardzo niskiej selektywnej toksyczności w układzie patogen/gospodarz. Należy jednak podkreślić, że w parze z niską selektywną toksycznością idzie o prawie dwa rzędy wielkości wyższa aktywność biologiczna AMH w porównaniu do "złotego standardu" w leczeniu grzybic układowych, czyli Amfoterycyny B. Molekularne podstawy mechanizmu działania tych związków nie zostały nadal poznane. Można założyć - na podstawie podobieństwa strukturalnego do AmB - że pierwszym i kluczowym etapem dla aktywności i selektywności tych związków jest oddziaływanie z błoną lipidową, a konkretnie sterolami w niej zawartymi, co skutkuje tworzeniem letalnego dla komórki grzybowej transbłonowego kanału. Praca badawcza dotyczyć będzie Kandycydyny D, Wacydyny i Gedamycyny, antybiotyków należących do grupy AMH. Związki analizowane będą w dwóch formach - natywnej (chromofor cis-trans) oraz izo- (chromofor all-trans), charakteryzującej się jeszcze większym podobieństwem strukturalnym do związku odniesienia (AmB). W celu rzetelnego opisu natury oddziaływań AMH/sterol, przeprowadzone zostaną eksperymenty obliczeniowe skutkujące: 1) ustaleniem optymalnej geometrii kompleksów AMH/sterol, 2) przygotowaniem profilu energii swobodnej tworzenia kompleksów AMH/sterol, 3) zdefiniowaniem nieznanej dotąd roli aromatycznego łańcucha bocznego AMH w oddziaływaniach ze sterolami, 4) zdefiniowaniem wpływu geometrii chromoforu AMH (cis-trans vs. all-trans) na powinowactwo do cholesterolu oraz ergosterolu, 5) zbadaniem zjawiska dimeryzacji AMH w wersjach równoległych oraz antyrównoległych w środowisku biwarstwy lipiodowej, 6) konstrukcją, określeniem stabilności oraz przewodnictwa pół-kanałów oraz kanałów błonowych o różnej stechiometrii cząsteczek budulcowych (AMH).
W celu realizacji ww. celów badawczych zostaną wykorzystane - przede wszystkim - techniki symulacji równowagowych, umbrella sampling oraz dwuwymiarowej metadynamiki, a także potencjalnie inne. W celu parametryzacji cząsteczek antybiotyków wykorzystanie zostanie pakiet Gaussian, natomiast do symulacji MD wykorzystane zostanie przede wszystkim połączenie pakietu Gromacs oraz pluginu plumed. Oba podejścia wymagają znacznego nakładu obliczeniowego, szacujemy wykorzystanie wielu setek milionów godzin CPU rocznie.
Obliczenia wykonane dla form natywnych oraz izo-AMH wraz staną się podstawą szeregu publikacji dotyczących wyżej wymienionych zagadnień, które mają zostać opublikowane w bardzo dobrych czasopismach z listy JCR. Ponadto, równolegle do badań obliczeniowych, wyżej opisana tematyka będzie również przedmiotem badań eksperymentalnych w zespole badawczym Laboratorium Analiz i Izolacji Związków Biologicznie Czynnych, znajdującym się w Katedrze Technologii Leków i Biochemii Wydziału Chemicznego PG, a także w laboratorium badań spektroskopowych prof. Wiesława Gruszeckiego, znajdującego się na Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie. Podejście obliczeniowe oraz eksperymentalne mają się wzajemnie uzupełniać, co powinno znacząco wpłynąć na jakość i odbiór uzyskanych wyników. Celem nadrzędnym opisanego projektu jest ujawnienie roli aromatycznego łańcucha bocznego AMH w interakcjach tych cząsteczek ze sterolami oraz w trakcie formowania kanałów transbłonowych, co będzie miało istotne znaczenie dla wyjaśnienia molekularnych podstaw o prawie dwa rzędy wielkości wyższej aktywności biologicznej AMH w porównaniu do AmB. Nie bez znaczenia będzie również sprawdzenie, czy geometria chromoforu heptaenowego (cis-trans vs. all-trans) będzie w jakikolwiek sposób determinować powinowactwo AMH do ergosterolu oraz cholesterolu.