Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính toán TRPC6, purine biosynthesis và azobenzene oligomers

Mô phỏng phân tử tiết lộ các tương tác thoáng qua, không đồng thời với nhóm ε-NH3⊕ của các gốc lysine. Đặc điểm này chỉ xuất hiện ở peptide phosphoryl hóa. Phân tích năng lượng liên kết tự do theo từng gốc amino acid xác định các yếu tố cấu trúc quan trọng. Vùng liên kết chứa Lys44 và Lys47 tạo thành túi gắn kết đặc hiệu. Nhóm phosphate tương tác tĩnh điện với các gốc lysine mang điện tích dương. Khoảng cách và góc liên kết tối ưu đảm bảo sự ổn định của phức hợp.

Phosphoryl hóa tại Ser768 làm tăng đáng kể ái lực liên kết với FKBP12. Các đột biến Ser768Asp và Ser768Glu không tái tạo được hiệu ứng này. Nhóm phosphate mang hai điện tích âm tạo tương tác mạnh hơn nhóm carboxylate. Cơ chế điều hòa kênh thụ thể tiềm năng thoáng qua phụ thuộc vào trạng thái phosphoryl hóa. Kinase và phosphatase điều chỉnh quá trình thêm bớt nhóm phosphate. Điều hòa kênh ion qua phosphoryl hóa là cơ chế điều khiển nhanh và thuận nghịch.

TRPC6 channel điều chỉnh dòng canxi vào tế bào cơ trơn mạch máu. Sự gia tăng canxi nội bào kích hoạt co mạch. Rối loạn chức năng TRPC6 liên quan đến bệnh lý tim mạch và phổi. Homeostasis canxi nội bào duy trì các chức năng tế bào bình thường. Con đường tín hiệu canxi kết nối với nhiều quá trình sinh lý khác. Nghiên cứu phân tử giúp hiểu rõ cơ chế bệnh sinh và phát triển thuốc mới.

Bảy con đường phản ứng tiềm năng được xác định từ mô hình đơn giản hóa. Kết quả thực nghiệm loại trừ bốn con đường. Hai trong ba con đường còn lại liên quan đến khử proton tại carbon C4 của vòng imidazole. Năng lượng trạng thái chuyển tiếp của hai con đường này cao hơn con đường thứ ba. Mô hình đầy đủ bao gồm đơn vị ribose-5-phosphate và các trạng thái điện tích khác nhau. Có 48 cấu trúc của N5-CAIR và CAIR với các trạng thái proton hóa khác nhau. Bốn con đường phản ứng được xác định dựa trên các cấu trúc sau tối ưu hóa.

Con đường phản ứng qua cation là thuận lợi nhất trong cả hai mô hình. Một chất cho/nhận proton nội phân tử cần thiết trước và sau sự di chuyển nhóm carboxyl. Theo cấu trúc tinh thể PurE Class I, gốc histidine 45 (His45) bảo tồn có thể đóng vai trò này. His45 nằm tại vị trí không gian phù hợp ở trung tâm hoạt động. Cơ chế phản ứng enzyme theo từng bước được đề xuất. Đầu tiên, His45 proton hóa nitrogen amide của N5-CAIR. Tiếp theo, nhóm carboxyl di chuyển đến carbon C4 với hình thành liên kết C-C đồng thời.

Purine metabolism cung cấp adenine và guanine cho tổng hợp acid nucleic. De novo purine synthesis không phụ thuộc vào nguồn purine ngoại sinh. Con đường này đặc biệt quan trọng trong tế bào phân chia nhanh. Tế bào ung thư thường tăng hoạt động sinh tổng hợp purine. Ức chế các enzyme trong con đường này là chiến lược điều trị ung thư. Thuốc kháng chuyển hóa nhắm vào sinh tổng hợp purine đã được sử dụng lâm sàng. Hiểu rõ cơ chế phân tử giúp thiết kế thuốc hiệu quả và đặc hiệu hơn.

Mô phỏng MD theo dõi chuyển động của các nguyên tử theo thời gian. Thời gian mô phỏng 20 nanosecond đủ dài để quan sát các tương tác quan trọng. Hệ thống bao gồm phức hợp protein-peptide trong môi trường dung môi. Điều kiện nhiệt độ và áp suất được kiểm soát trong suốt mô phỏng. Quỹ đạo chuyển động cung cấp thông tin về sự ổn định và linh hoạt của cấu trúc. Phân tích quỹ đạo xác định các tương tác quan trọng và thời gian tồn tại. Phương pháp này phù hợp cho nghiên cứu điều hòa kênh ion và tương tác protein.

DFT tính toán cấu trúc điện tử và năng lượng của phân tử. Phương pháp này cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán. Bề mặt năng lượng tiềm năng mô tả sự thay đổi năng lượng dọc theo con đường phản ứng. Trạng thái chuyển tiếp và trung gian phản ứng được xác định. Năng lượng hoạt hóa cho biết tốc độ phản ứng tương đối. DFT phù hợp cho nghiên cứu sinh tổng hợp purine và chuyển hóa nucleotide. Kết quả tính toán giúp đề xuất cơ chế phản ứng chi tiết ở mức nguyên tử.

Phương pháp MM-GB/SA kết hợp cơ học phân tử và mô hình dung môi liên tục. Năng lượng liên kết tự do dự đoán ái lực giữa các phân tử. Phân tích theo từng gốc amino acid xác định đóng góp của mỗi phần. Thông tin này quan trọng cho thiết kế thuốc và protein engineering. Các tương tác tĩnh điện, van der Waals, và solvation được tính riêng. Tổng hợp các thành phần cho năng lượng liên kết tổng thể. Phương pháp này hiệu quả cho nghiên cứu tương tác FKBP12 với TRPC6.

Điều chỉnh hoạt động TRPC6 channel có thể điều trị tăng huyết áp phổi. Bệnh thận mạn tính liên quan đến đột biến và rối loạn chức năng TRPC6. Thuốc ức chế hoặc kích hoạt kênh ion cần tính đặc hiệu cao. Hiểu rõ con đường tín hiệu canxi giúp tránh tác dụng phụ. Phosphoryl hóa là cơ chế điều hòa có thể can thiệp bằng thuốc. Ức chế kinase hoặc kích hoạt phosphatase điều chỉnh trạng thái phosphoryl hóa. Homeostasis canxi nội bào là yếu tố quan trọng trong nhiều bệnh lý.

Tế bào ung thư phân chia nhanh cần nhiều nucleotide cho tổng hợp DNA. De novo purine synthesis là nguồn cung cấp chính trong tế bào ung thư. Ức chế PurE và các enzyme khác ngăn chặn purine metabolism. Thuốc kháng chuyển hóa như methotrexate đã được sử dụng lâu đời. Thiết kế thuốc mới dựa trên cấu trúc enzyme và cơ chế phản ứng. Thuốc đặc hiệu hơn giảm độc tính với tế bào bình thường. Kết hợp nhiều thuốc nhắm vào các bước khác nhau tăng hiệu quả điều trị.

Sàng lọc ảo giúp chọn lọc hợp chất tiềm năng từ thư viện lớn. Mô hình hóa phân tử dự đoán ái lực liên kết và tính chất dược động. Tối ưu hóa cấu trúc thuốc dựa trên tương tác với mục tiêu. Dự đoán độc tính và tính chất ADME giảm tỷ lệ thất bại lâm sàng. Chi phí phát triển thuốc giảm từ hàng tỷ đô la. Thời gian đưa thuốc ra thị trường rút ngắn đáng kể. Hóa học tính toán là công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu dược phẩm hiện đại.

FKBP12 thuộc họ protein liên kết immunophilin. Cấu trúc gấp nếp đặc trưng tạo túi liên kết sâu. Các gốc lysine Lys44 và Lys47 nằm ở vị trí chiến lược. Nhóm ε-NH3⊕ của lysine tương tác với nhóm mang điện âm. Cấu trúc bậc ba ổn định bởi lõi kỵ nước và vòng lặp linh hoạt. Vùng liên kết có thể thích nghi với các đối tác khác nhau. Sự bảo tồn cao của FKBP12 qua các loài cho thấy tầm quan trọng chức năng.

Nhận dạng phân tử bắt đầu với sự tiếp cận ban đầu do lực tĩnh điện. Hình dạng bổ sung giữa bề mặt protein và peptide tạo sự khớp nối. Liên kết hydro hình thành giữa xương sống và chuỗi bên. Tương tác kỵ nước đóng góp vào năng lượng liên kết. Phosphoryl hóa thay đổi phân bố điện tích và tăng ái lực. Hai gốc lysine tạo tương tác bidentate với nhóm phosphate. Sự ổn định của phức hợp phụ thuộc vào tổng hợp nhiều tương tác yếu.

Tương tác protein-protein điều khiển hình thành phức hợp tín hiệu. Phức hợp đa protein tạo nền tảng cho điều hòa kênh ion. FKBP12 kết nối TRPC6 với các protein điều hòa khác. Sự hình thành và phân ly phức hợp là cơ chế điều khiển động. Phosphoryl hóa và dephosphoryl hóa điều chỉnh tương tác này. Hiểu rõ cơ chế giúp thiết kế peptide hoặc phân tử nhỏ can thiệp. Can thiệp vào tương tác protein-protein là chiến lược điều trị mới.

Máy tính lượng tử hứa hẹn giải quyết bài toán phức tạp hơn. Thuật toán học máy tăng tốc sàng lọc và tối ưu hóa. Mô phỏng động lực học phân tử đạt quy mô microsecond. Phương pháp QM/MM kết hợp cơ học lượng tử và phân tử. Tính toán đám mây cho phép truy cập tài nguyên tính toán lớn. Phần mềm nguồn mở tạo cộng đồng nghiên cứu rộng lớn. Cơ sở dữ liệu cấu trúc và dữ liệu tính toán ngày càng phong phú.

Nghiên cứu các thành viên khác của họ kênh TRP. Khảo sát tương tác với nhiều protein điều hòa khác. Phát triển chất điều biến đặc hiệu cho TRPC6 channel. Nghiên cứu toàn bộ con đường sinh tổng hợp purine. Xác định cơ chế các enzyme khác trong purine metabolism. Thiết kế ức chế đa mục tiêu cho điều trị ung thư. Kết hợp ức chế sinh tổng hợp purine với liệu pháp khác.

Chuyển kết quả nghiên cứu cơ bản thành ứng dụng lâm sàng. Phát triển kit chẩn đoán dựa trên biomarker liên quan TRPC6. Thử nghiệm lâm sàng thuốc nhắm vào kênh canxi TRPC6. Phát triển thuốc kháng ung thư mới ức chế sinh tổng hợp purine. Cá nhân hóa điều trị dựa trên đặc điểm di truyền bệnh nhân. Hợp tác giữa học viện và công nghiệp đẩy nhanh chuyển giao. Đầu tư vào nghiên cứu tính toán mang lại lợi ích kinh tế và xã hội lớn.