грант 14.584.21.0017

Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»

Науки о жизни

Получатель субсидии: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет»

Цели и задачи проекта

Целью проекта является создание теоретического подхода, который позволяет точно предсказывать топологию и динамику протеинов во внешних полях, и развитие перспективных технологий в фармакологии, медицине и материаловедении, основанных на новых методах анализа и классификации третичной и четвертичной структуры протеинов, а также на новых знаниях о связи биологической функции и физических свойств белка с его крупномасштабной структурой о целях и задачах выполнения проекта; 

Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить три основные задачи: 1) Разработать подход к моделированию структуры, основанный на фундаментальных принципах симметрии; 2) На основе разработанного подхода создать  комплекс программ для автоматизированного моделирования, анализа и систематизации структуры белков; 3) С помощью созданного комплекса программ провести анализ топологических особенностей третичной и четвертичной структуры ряда хорошо изученных белков и их связи с биологическими и физическими свойствами. Вычислить параметры топологического базиса для последующей классификации протеинов.

Ожидаемые результаты проекта

1. Новый подход к моделированию третичной и четвертичной структуры белка в терминах топологических степеней свободы, основанный на методах калибровочной теории поля на решетке, в рамках которого будет сформулирована солитонная модель белка, основанная на Абелевой модели Хиггса, воспроизводящая как основные элементы вторичной структуры белка (спирали, листы и петли), так и их комбинацию в третичную и четвертичную структуры, и отражающая динамические свойства главной белковой цепи. Разработанный подход позволит осуществлять как массированный анализ большого числа молекул, так и предсказательное моделирование трехмерной структуры белка, а также биологических и физических свойств биополимеров.

2. Алгоритм определения параметров солитонной конфигурации для произвольного белка или белковых комплексов, минимизирующей свободную энергию и воспроизводящей экспериментально наблюдаемую третичную и четвертичную структуру известных белков.

3. Комплекс программ для моделирования топологической структуры белка и классификации белков согласно топологическому базису.
4. Онлайн библиотека уникальных солитонных конфигураций главной белковой цепи, отвечающих за определенные биологические функции или физические свойства белка. 

Перспективы практического использования

• Теоретико-полевой подход к математическому моделированию структуры белка в терминах крупномасштабных топологических структур позволяет параметризовать структуру белка в сотни раз меньшим числом параметром, чем подходы молекулярной динамики, что радикально сокращает время расчетов при моделировании.  Это свойство солитонной модели белка может быть использовано для разработки высокоэффективных алгоритмов анализа структуры и динамики во внешних полях фармакологических мишеней, на основе чего могут быть разработаны новые высокоэффективные технологии компьютерного фармакологического скрининга.

• Исследование связи топологических особенностей белков с их биологическими свойствами, позволит развить новые технологии поиска действующих вещества. В частности, при анализе белковых молекул, обладающих противораковым и противовирусным действием, обнаружение их топологических особенностей, отвечающих за эти свойства, позволит разрабатывать более простые по молекулярному составу синтетические аналоги, которые могут стать основой создания новых лекарств.

• Исследование изменения топологии белка при воздействии внешних полей, позволит разрабатывать новые материалы, обладающие нетривиальными квантовыми свойствами, которые могут быть использованы при разработке элементной базы для квантовых компьютеров, биосенсоров и других устройств.

1. Разработаны теоретические основы нового подхода к моделированию третичной и четвертичной структуры белка в терминах топологических степеней свободы, основанный на методах калибровочной теории поля на решетке.
2. Получен алгоритм определения параметров солитонной конфигурации для произвольного белка или белковых комплексов, минимизирующей свободную энергию и воспроизводящей экспериментально наблюдаемую третичную и четвертичную структуру известных белков.

Пекинский технологический институт, внебюджетное софинансирование проекта: 16 млн. руб.

Основные задачи в проекте:

• Тестирование и применение разрабатываемых алгоритмов и комплексов программ к анализу пробных белков и белковых структур
  
• Подготовка исходных данных для моделирования и анализа согласованности получаемых результатов с феноменологией и экспериментальными данными дифракционных экспериментов.