Co přitahuje molekuly? Nová generace nástroje z CEITEC zviditelňuje síly mezi atomy

To, zda léčivo dokáže účinně zasáhnout svůj cílový protein nebo jak spolu jednotlivé části viru či buňky interagují, závisí na dějích odehrávajících se na úrovni jednotlivých molekul. Jejich chování přitom neurčuje jen tvar, ale také elektrostatické síly, které mezi nimi působí. Porozumět jejich rozložení proto vědcům pomáhá lépe pochopit, proč se určité molekuly přitahují, jak se k sobě vážou a jak spolu vzájemně interagují.

Právě k tomu slouží Atomic Charge Calculator (ACC), výpočetní nástroj, který vědci z Masarykovy univerzity rozvíjejí už více než deset let. Jeho třetí, dosud nejpokročilejší generace vznikla na CEITEC Masarykovy univerzity a Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity ve spolupráci s Fakultou informatiky MU a Univerzitou Palackého v Olomouci.

ACC III umožňuje počítat elektrické náboje jednotlivých atomů a zobrazit jejich rozložení přímo v trojrozměrné struktuře molekul. V jediném prostředí nabízí dvacet různých výpočetních metod a dokáže pracovat s širokým spektrem molekul – od malých organických látek až po proteiny a další velké biomolekulární struktury.

Výhodou Atomic Charge Calculator III je spojení širokého spektra výpočetních metod s jednoduchou dostupností: základní výpočty lze provádět přímo prostřednictvím webového prohlížeče, bez instalace specializovaného softwaru a bez registrace. Výsledné náboje lze rovnou zobrazit na 3D modelu molekuly. Pro pokročilé uživatele a rozsáhlé analýzy platforma zároveň nabízí automatizované zpracování dat a možnost provozovat výpočetní jádro lokálně.

CEITEC/Biological Data Management and Analysis Core Facility: Co přitahuje molekuly? Nová generace nástroje z CEITEC zviditelňuje síly mezi atomy: Oseltamivir navázaný na neuraminidázu viru chřipky (modře: kladné parciální náboje, červeně: záporné náboje). Mezi záporně nabitou oblastí léčiva a kladně nabitými oblastmi proteinu dochází k silné elektrostatické interakci.

Proč vědce zajímají elektrické náboje atomů

Elektrony nejsou v molekulách rozloženy rovnoměrně. Jednotlivé atomy proto mohou nést různě velký částečný – neboli parciální – elektrický náboj. A právě ten do značné míry ovlivňuje, jak se molekuly budou chovat vůči svému okolí i vůči sobě navzájem.

Kladně a záporně nabité části molekul se mohou přitahovat, zatímco stejně nabité části se odpuzují. Rozložení nábojů tak pomáhá určovat, které molekuly se k sobě přiblíží, jakým způsobem se vůči sobě natočí nebo jak pevně se mohou navázat. V biologii je to důležité například při rozpoznávání mezi molekulami nebo při vazbě léčiva na cílový protein. Znalost parciálních nábojů proto vědcům pomáhá lépe porozumět interakcím, které stojí za fungováním mnoha molekulárních systémů.

Neexistuje přitom jediný univerzální způsob, jak parciální náboje určit. Různé výpočetní metody mohou vést k odlišným hodnotám a jejich volba závisí také na tom, k čemu chce vědec výsledky použít. Přesné kvantově-chemické výpočty navíc mohou být u velkého množství struktur velmi náročné. ACC III proto sdružuje empirické metody, které umožňují výpočty provádět rychleji a ve velkém měřítku. „ACC III jsme od začátku navrhovali tak, aby byl výpočet parciálních atomových nábojů co nejjednodušší. Uživatel nemusí nic instalovat ani složitě nastavovat – stačí nahrát molekulu a jedním kliknutím spustit výpočet. Aplikace přitom sama nabídne vhodné metody z celkem dvaceti dostupných, přičemž zvládá malé molekuly i rozsáhlé biomolekulární struktury,“ říká Tomáš Raček, který ACC vyvíjí a spravuje od roku 2018.

Jak se protivirový lék váže k proteinu chřipkového viru

Co lze z rozložení nábojů vyčíst, ukazují autoři na známém antivirotiku oseltamivir, prodávaném pod obchodním názvem Tamiflu. Lék se váže na neuraminidázu, protein viru chřipky typu A. Pomocí ACC III lze přímo v trojrozměrné struktuře zobrazit, kde se nacházejí kladné a záporné parciální náboje a jak se podílejí na interakci léčiva s proteinem.

„Na příkladu oseltamiviru je dobře vidět, proč je užitečné náboje nejen vypočítat, ale také je zobrazit přímo ve struktuře. Můžeme tak sledovat, které části obou molekul spolu elektrostaticky interagují. Stejným způsobem lze zkoumat mnoho dalších molekulárních systémů,“ vysvětluje Tomáš Raček.

ACC III přitom není určen pouze pro malé molekuly. Dokáže pracovat také s proteiny a dalšími velkými biomolekulárními strukturami. Druhým příkladem, na kterém autoři jeho možnosti demonstrují, je pórový komplex SARS-CoV-2. Koronaviry tyto póry vytvářejí během množení v infikovaných buňkách a využívají je k transportu virové RNA přes membrány. Vizualizace parciálních nábojů zde pomáhá rozlišit části komplexu procházející nepolárním prostředím membrány od jeho nabitějších oblastí.

Od výpočtu rovnou k trojrozměrnému modelu

Nová generace Atomic Charge Calculatoru přináší také modernější způsob vizualizace. Využívá nástroj Mol*, který umožňuje vypočtené náboje zobrazit přímo na trojrozměrné struktuře a interaktivně ji prohlížet. Právě vizualizace vytvořená pomocí ACC III se dostala také na obálku speciálního čísla časopisu Nucleic Acids Research věnovaného webovým výzkumným nástrojům. Autorem titulního obrázku, který zachycuje rozložení parciálních nábojů v membránovém proteinovém systému, je Tomáš Raček.

CEITEC/Oxford University Press: Co přitahuje molekuly_Nová generace nástroje z CEITEC zviditelňuje síly mezi atomy: Obálka speciálního čísla časopisu Nucleic Acids Research.

Výsledky lze stáhnout v několika standardních formátech a nově také ukládat přímo ve formátu mmCIF, který se běžně používá pro ukládání trojrozměrných struktur biomolekul. Informace o struktuře a vypočtených nábojích tak mohou zůstat společně v jednom souboru a být dále využívány jinými nástroji.

Pro zpracování velkého množství struktur je k dispozici také programové rozhraní API a výpočetní jádro, které lze provozovat lokálně. ACC III tak může sloužit jak pro jednotlivé výpočty prostřednictvím webového rozhraní, tak jako součást rozsáhlejších automatizovaných analýz.

Více než deset let vývoje

První Atomic Charge Calculator vědci představili v roce 2015, druhá generace následovala v roce 2020. Tým mezitím vytvořil také specializované nástroje PDBCharges pro struktury z Protein Data Bank a AlphaCharges pro struktury z databáze AlphaFold. „Atomic Charge Calculator nevznikl jako jednorázový projekt,“ uvádí Radka Svobodová, vedoucí sdílené laboratoře Správa a analýza biologických dat na CEITEC MUNI. „Více než deset let postupně rozvíjíme nástroje, které reagují na nové možnosti strukturní bioinformatiky i na potřeby jejich uživatelů. Třetí generace propojuje jednoduché webové použití s možnostmi, které jsou důležité pro automatizované zpracování velkého množství molekulárních struktur,“ dodává.

Atomic Charge Calculator III je volně dostupný prostřednictvím webového rozhraní a pro základní použití nevyžaduje registraci. Jeho vývoj podpořila výzkumná infrastruktura ELIXIR CZ.

Novou generaci nástroje představili jeho autoři v časopise Nucleic Acids Research.