4. W jakim celu i w jaki sposób tworzy się modele wykorzystywane w badaniach naukowych?

Question 1

Metody eksperymentalne tworzenia modeli

Answer 1

Tradycyjnymi metodami otrzymywania modeli białek są metody eksperymentalne, najczęściej wykorzystuje się w tym celu krystalografię rentgenowską (XRD). Etapy otrzymywania modelu tą techniką to 1: krystalizacja (może być konieczne dodanie substancji, które ułatwią ten proces, później widocznych w modelu), 2: otrzymanie obrazu dyfrakcyjnego i 3: obliczenie mapy gęstości elektronowej i modelu atomowego. Stosuje się również NMR, etapy to 1: znakowanie białka izotopami 13C, 15N, 2: przypisanie rezonansu i oszacowanie odległości między atomami, 3: obliczenie modelu zbiorczego. Techniki eksperymentalne są kosztowne, czasochłonne i wymagają wyspecjalizowanego sprzętu, dzięki zastosowaniu metod przewidywania struktur (modelowania) możliwe jest ominięcie tego etapu.

Question 2

Metody przewidywania struktur trzeciorzędowych białek

Answer 2

1. Modelowanie homologiczne – jest to modelowanie porównawcze. bazujące na już rozwiązanych eksperymentalnie strukturach zbliżonych na poziomie sekwencji – szablonach. Im bardziej podobna sekwencja, tym bardziej podobna struktura.
2. Rozpoznawanie zwoju – metoda niezależna od podobieństwa sekwencyjnego. Stosuje się metody porównywania profili i algorytmy analizy energii odziaływań reszt w parach (przewlekanie)
3. Przewidywanie Ab initio - symulacja zwoju białka na podstawie fizykochemicznych zasad zwijania się białek. Dla modeli całego białka są to gigantyczne liczby parametrów do obliczeń, nadal zbyt mało wiemy o zasadach zwijania – są to mało wydajne metody, o niskim poziomie dokładności.
4. Najnowsze metody opierające się o technologie sieci neuronowych z dziedziny Machine Learning – deep learing technologia – np. Alpha Fold.

Question 3

Zastosowanie modeli biocząsteczek

Answer 3

Modele są niezwykle użyteczne np. przy projektowaniu leków. Możemy przebadać interakcje między danym receptorem, a różnymi ligandami (lekami) i znaleźć rozwiązanie (cząsteczkę), która najsilniej wiąże się z receptorem, np. blokując niekorzystną aktywność białka.
Podstawowe zastosowanie modelowania:
- Wizualizacja cząsteczki w różnej reprezentacji,
- “Wspomagana” modyfikacja struktury kowalencyjnej cząsteczki,
- Budowa układu wielocząsteczkowego,
- Generowanie ruchów molekularnych – obserwacja zachowania dynamicznego cząsteczek oraz oddziaływań wewnątrz- i międzycząsteczkowych.