Grant/Projek zakończony
Badanie mechanizmu działania białek z grupy przeciwdziałających zamarzaniu płynów ustrojowych
Identyfikator grantu: PT00553
Kierownik projektu: Joanna Grabowska
Politechnika Gdańska
Wydział Chemiczny
Gdańsk
Data otwarcia: 2016-09-06
Data zakończenia: 2022-02-25
Streszczenie projektu
Białka z grupy przeciwdziałających zamarzaniu płynów komórkowych (AFP) mają zdolność do obniżania temperatury krzepnięcia płynów ustrojowych organizmów żywych narażonych na działanie temperatur niższych niż temperatura krzepnięcia wody, tym samym chroniąc je przed zamarznięciem. Mechanizm funkcjonowania tych białek nie jest do końca poznany, a jedną z metod umożliwiających wyjaśnienie zdolność do przeciwdziałania zamarzaniu są symulacje komputerowe.
Celem prowadzonych badań jest określenie, w jaki sposób białka oddziałują z powierzchnią kryształu lodu. Z wcześniejszych badań wynika (Kuffel A., Czapiewski D., Zielkiewicz J., J. Chem. Phys. 141, 055103 (2014)), że białka AFP posiadają zdolność do modyfikacji struktury swojej wody solwatacyjnej w kierunku upodobnienia jej do struktury lodu. Jedna z zaproponowanych koncepcji dotyczących mechanizmu działania białek przeciwdziałających zamarzaniu (Kristiansen E., Zachariassen K. E., Criobiology, 51, 262 (2005)) zakłada, że woda znajdująca się między białkiem a powierzchnią lodu ulega zamarznięciu, gdy obie powierzchnie znajdą się wystarczająco blisko siebie i że jest to warunek konieczny, aby białko mogło pełnić swoje funkcje biologiczne. Proponowane badania będą polegać na symulacji komputerowej układów zbudowanych z białka AFP oraz kryształu lodu w środowisku wodnym. Charakter badanego układu (duża liczba atomów) oraz konieczność prowadzenia symulacji w dosyć długim okresie czasu (sięgającym kilkunastu nanosekund dla każdego układu) sprawia, że zapotrzebowanie na zasoby obliczeniowe będzie wysokie. Badania będą prowadzone z wykorzystaniem pakietu Amber (dynamika molekularna) oraz oprogramowania własnego.
Otrzymane rezultaty będą stanowić cześć pracy doktorskiej (mgr inż. Joanna Grabowska) o przedstawionej powyżej tematyce. Jest to dopiero pierwszy etap badań, które zakończyć się mają za cztery lata i które planuje się upowszechnić również w formie artykułu naukowego.
Celem prowadzonych badań jest określenie, w jaki sposób białka oddziałują z powierzchnią kryształu lodu. Z wcześniejszych badań wynika (Kuffel A., Czapiewski D., Zielkiewicz J., J. Chem. Phys. 141, 055103 (2014)), że białka AFP posiadają zdolność do modyfikacji struktury swojej wody solwatacyjnej w kierunku upodobnienia jej do struktury lodu. Jedna z zaproponowanych koncepcji dotyczących mechanizmu działania białek przeciwdziałających zamarzaniu (Kristiansen E., Zachariassen K. E., Criobiology, 51, 262 (2005)) zakłada, że woda znajdująca się między białkiem a powierzchnią lodu ulega zamarznięciu, gdy obie powierzchnie znajdą się wystarczająco blisko siebie i że jest to warunek konieczny, aby białko mogło pełnić swoje funkcje biologiczne. Proponowane badania będą polegać na symulacji komputerowej układów zbudowanych z białka AFP oraz kryształu lodu w środowisku wodnym. Charakter badanego układu (duża liczba atomów) oraz konieczność prowadzenia symulacji w dosyć długim okresie czasu (sięgającym kilkunastu nanosekund dla każdego układu) sprawia, że zapotrzebowanie na zasoby obliczeniowe będzie wysokie. Badania będą prowadzone z wykorzystaniem pakietu Amber (dynamika molekularna) oraz oprogramowania własnego.
Otrzymane rezultaty będą stanowić cześć pracy doktorskiej (mgr inż. Joanna Grabowska) o przedstawionej powyżej tematyce. Jest to dopiero pierwszy etap badań, które zakończyć się mają za cztery lata i które planuje się upowszechnić również w formie artykułu naukowego.
Publikacje
- Grabowska, J., Kuffel A., Zielkiewicz J., The accretion of the new ice layer on the surface of hexagonal ice crystal and the influence of the local electric field on this process, The Journal of Chemical Physics 147, (2017) 174502
- Grabowska J., Kuffel A., Zielkiewicz J., Molecular dynamics study on the role of solvation water in the adsorption of hyperactive AFP to the ice surface, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, (2018) 25365-25376
- Grabowska J., Kuffel A., Zielkiewicz J., Mechanizm oddziaływania białek z grupy przeciwdziałających zamrażanie (AFP) z płaszczyzną podstawową lodu - badania przy wykorzystaniu metod dynamiki molekularnej, 61. Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego -, (2018) S07-14
- J. Grabowska, Why is the cubic structure preferred in newly formed ice?, Phys. Chem. Chem. Phys. 21, (2019) 18043-18047
- J. Grabowska, A. Kuffel, J. Zielkiewicz, Role of the Solvation Water in Remote Interactions of Hyperactive Antifreeze Proteins with the Surface of Ice, J. Phys. Chem. B 123, (2019) 8010-8018
- J. Grabowska, Wpływ właściwości strukturalnych ciekłej wody na zawartość lodu o strukturze heksagonalnej i regularnej w nowo powstających kryształach lodu, 62. Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego -, (2019) -
- Grabowska J., Kuffel A., Zielkiewicz Z., Interfacial water controls the process of adsorption of hyperactive antifreeze proteins onto the ice surface, Journal of Molecular Liquids 306, (2020) 112909
- Joanna Grabowska, Rola wody solwatacyjnej w kształtowaniu aktywności białek z grupy krioprotektantów, Praca doktorska 1, (2020) 1-159
- Grabowska Joanna, Kuffel Anna, Zielkiewicz Jan, Revealing the Frank-Evans „Iceberg” Structures Within Solvation Layer Around Hydrophobic Solutes, Journal of Physical Chemistry B 125, (2021) 1611-1617