- A kinezin nevű motorfehérje két fejét néhány jól meghatározott állapottal jellemezve, a két fejet összekötő neck-linkereket pedig szemiflexibilis polimerláncként leírva, termodinamikailag konzisztens módon felépítettük a dimerikus kinezin molekula telje  |  - By characterizing the two heads of kinesin with a few well defined kinetic states and considering the two neck linkers (which connect the two heads) as semiflexible polymeric chains, we have constructed a complete kinetic model of the dimeric kinesin i

Derényi, Imre

Repository of the Academy's Library

ZárójelentésOTKA K 60665A kutatásaimat az eredeti pályázattal összhangban az alábbi három biológiai fi-zikai témakörben végeztem. A kutatási projekt keretében megjelent 8 tudományoscikkünk, melyek összesített impaktfaktora 37.816 (további 4 publikáció beküldés,illetve megírás alatt áll).1. Molekuláris motorokA mitotikus orsó kialakulásáért, valamint számos intracelluláris mozgásért fe-lelo˝s kinezin az egyik legismertebb motorfehérje, mu˝ködési mechanizmusa viszontmáig nem teljesen értett és aktív kutatás tárgya. A ’90-es évek közepén megjeleno˝elso˝ egymolekulás kísérleti adatok számos egyszeru˝ (ún. Brown racsni típusú) modellmegszületését inspirálták. Az azóta is rohamos ütemben gyarapodó kísérleti eredmé-nyek azonban sorra rácáfoltak ezekre a modellekre, és már a ’90-es évek végéreegyértelmu˝vé vált, hogy az eredmények értelmezéséhez (többek között a kinezin kétfeje közötti koordináció megértéséhez) lényegesen eltéro˝ és részletesebb modellrelenne szükség. A modellalkotás elo˝relátható komplexitása azonban hosszú évekremegakasztotta ezt a folyamatot. Mígnem a jelen projekthez kapcsolódó kutatásainkkezdetén fel nem ismertük, hogy a kinezin két fejét néhány jól meghatározott álla-pottal jellemezve (a mikrotubulus kötése, a nukleotidkötés, valamint a neck-linkerdokkolása alapján megkülönböztetve), a két fejet összeköto˝ egy-egy neck-linkertpedig szemiflexibilis polimerláncként leírva, termodinamikailag konzisztens módonfelépítheto˝ a dimerikus kinezin molekula teljes kinetikai modellje [2][8].Az így felállított modell paramétereit szimulált ho˝kezeléssel kiegészített Monte-Carlo szimulációk segítségével határoztuk meg. Nagy meglepetésünkre és örö-münkre a paraméterkeresés egyetlen jól definiált paraméterhalmazt eredményezett,amely komoly egyezést mutatott a kísérletileg meghatározott paraméterekkel. Akapott paraméterhalmaz segítségével a modell képes reprodukálni a kísérleti ada-tok széles halmazát (sebesség, lépésido˝, randomness, processzivitás, hidrolízis ráta,stb.) különbözo˝ körülmények között (nukleotid koncentráció, terhelo˝ ero˝, neck-linkerhossza és összetétele, stb.), alátámasztva a modellünk helyességét.Elso˝ként sikerült tehát a kinezinnek egy olyan részletes kinetikai modelljét meg-alkotnunk, amely hu˝en visszaadja a kinezin lépési mechanizmusának részleteit; ter-mészetes magyarázatát adja annak, hogy a neck-linkerek miként képesek szinkroni-zálni a fejek kinetikáját (a neck-linkerek mechanikai feszültsége által vezérelt gatingfolyamatokon keresztül); és prediktív ero˝vel bír akár vad típusú, akár módosított ki-nezinekkel végzett kísérletek kimenetelét illeto˝en.1A molekuláris motorok egy egészen más családját alkotják a DNS és RNS mole-kulák mentén haladó motorfehérjék. Ezek kísérleti jellemzésének egyik legfontosabbállomása a kinetikai sebességi állandók, a processzivitás, valamint a mechanokémiaicsatolás kvantitatív meghatározása. Az ELTE Biokémiai Tanszékén Kovács Mihálycsoportjával együttmu˝ködve dolgoztunk ki egy olyan új és hatékony módszert, amelykülönbözo˝ hosszúságú DNS és RNS szálakkal elvégzett stopped-flow kísérletek ese-tén a motorfehérjék által elhidrolizált NTPmolekulák mennyiségének mérése alapjánhatározza meg a kérdéses mennyiségeket [6].A motorfehérjék dinamikájának és konformációváltozásainak tanulmányozásasorán érdeklo˝désünk kiegészült a fehérjék konformációváltozásai során fellépo˝ belso˝súrlódás vizsgálataival is. A fehérjék konformációváltozását ugyanis nemcsak akülso˝ közegben való súrlódás, hanem saját belso˝ súrlódásuk is fékezi. Ugyanakkor abelso˝ súrlódásnak mind a fizikai eredete, mind pedig a jelento˝sége máig ismeretlen.Annak ellenére van ez így, hogy a belso˝ súrlódás egy alapveto˝ jellemzo˝je a konfor-mációváltozásoknak, és számos kísérleti és elméleti próbálkozás történt ennek feltá-rására. A kísérleti munkát nagyban nehezíti az a tény, hogy a belso˝ súrlódásra elso˝-sorban a külso˝ közeg viszkozitásának a megváltoztatása segítségével lehet következ-tetni, a viszkozitásváltoztatáshoz használt adalékanyagok viszont kölcsönhathatnakmagukkal a vizsgált fehérjékkel is, megváltoztatva dinamikai tulajdonságaikat. AzELTE Biokémiai Tanszékén Málnási-Csizmadia András csoportjával együttmu˝ködvekezdtük el kutatni ezt a jelenségkört a tripszin nevu˝ fehérje egyik konformációválto-zásának vizsgálatával (viszonylag alacsony adalékkoncentrációk mellett). Elso˝ ered-ményeink, amelyek többek között arra utalnak, hogy a belso˝ súrlódás egy aktivációsfolyamat következménye és jelento˝sen függ a fehérje flexibilitásától, nemrég kerül-tek publikálásra [7]. Ebben a cikkben javaslatot tettünk egy félig fenomenologikuselméleti magyarázatra, amely két flexibilisen csatolt reakciókoordinátára bontja azátalakulás folyamatát, melyek közül az egyik áll kapcsolatban a külso˝ közeggel, míga másik a fehérje érdes belso˝ energiafelszínével. Ezen modell részletes elméleti ésnumerikus vizsgálatán jelenleg is dolgozunk.2. MembrándinamikaForgács Gábor csoportjában a Univ. of Missouri (Columbia) egyetemen mágne-ses csipesszel megfogott szuperparamágneses mikrogyöngyök segítségével húznakki felületi nanostruktúrákat tumorsejtekbo˝l, és a nanostruktúrák elszakadásainak de-tektálásából próbálnak meg következtetéseket levonni a nanostruktúrák, valamint amikrogyöngyökkel való kölcsönhatásuk tulajdonságit illeto˝en. Ezek a kutatások azáttétek képzo˝désének megértését szolgálják, hiszen az erekben áramló tumorsejtek ishasonló nanostruktúrák segítségével tapadhatnak meg az érfalakon. Hosszú ideig úgytu˝nt, hogy a kihúzott nanostruktúrák membrán eredetu˝ nanocsövek, így a jelen OTKA2projekt keretében a nanocsövek képzo˝désének és gyöngyro˝l való leszakadásának azelméleti leírásán keresztül vettünk részt a kutatásokban. Az évek során azonban egyretöbb olyan bizonyíték került elo˝, amely arra utal, hogy a kihúzott nanostruktúrák in-kább az extracelluláris mátrixból származnak. Az eddigi eredményeink átértelmezéseés az ehhez kapcsolódó kézirat megírása folyamatban van.Az utóbbi ido˝ben a figyelem központjába került a biológiai vagy mesterségeseredetu˝ membrán vezikulumok felületre történo˝ kitapadása, valamint az azt követo˝kiszakadása. Elméleti számolásainkkal ezen témakör számos alapveto˝ jelenségénekfizikai hátterét tártuk fel. Egyrészt magyarázatot adtunk arra, hogy töltött lipidekjelenléte miért segíti kevésbé a vezikulumok kiszakadását töltött felületre való leta-padás után, mint ahogy azt naivan várnánk; másrészt megmutattuk, hogy az adhézió,illetve a felületen már jelenlévo˝ szabad membrán él miként gyorsítja fel a kiszakadásfolyamatát; harmadrészt pedig megmutattuk, hogy porózus felszínek esetén milyenfeltételek mellett és milyen mértékben türemkednek be a vezikulumok a pórusokba,illetve meghatározzuk a rendszer paramétereinek függvényében az egyensúlyi álla-potokat is. Eredményeinket poszter formájában mutattuk be a Magyar Biofizikai Tár-saság XXIII. kongresszusán, két kézirat pedig megírás alatt áll.A projekt membrándinamikai témakörének talán legjelento˝sebb irányvonaláváannak a folyamatnak az elméleti és numerikus módszerekkel való megértése vált,amely során a membrán vezikulumok szilárd felületre kitapadnak, deformálódnak,majd a felületi adhézió által megfeszített membránjuk egy vagy több spontán ke-letkezo˝ tranziens kiszakadás után kiterül a felületre. Ezt a jelenséget korábban mégsenki sem jellemezte. Vizsgálatainkban egyszerre vettük figyelembe a spontán lyuk-képzo˝dés és -záródás dinamikáját; ennek hatását a membrán mechanikai feszültsé-gére és a lyukon keresztül történo˝ folyadékkiáramlásra; valamint a letapadási fronthaladását és ennek a membránt megfeszíto˝ hatását. Eredményeink rávilágítanak arra,hogy milyen paraméterek mellett várható gyors kiszakadás (és ún. supported lipidbilayer képzo˝dés), valamint hogy a paraméterekto˝l függo˝en miként zajlik le a ki-szakadás teljes folyamata. Ezen eredményeket a napokban mutattuk be a 8. EurópaiBiofizikai Kongresszuson poszter formájában (amelyet a legjobb diák poszter kate-góriában díjaztak). Kézirat megírása is folyamatban van.3. EvolúcióelméletSikerült felállítanunk egy olyan evolúcióbiológiai modellt, amely magyarázatotad a természetes genetikai transzformáció mechanizmusának fenntartására baktériu-mokban [1]. Ennek lényege, hogy ha a baktériumok különálló populációkban élnek(amelyekben a környezeti változók, pl. táplálékforrások, egymástól függetlenül vál-toznak), akkor a populációk közötti gyenge migráció elo˝nyössé teheti a természetes3genetikai transzformációért felelo˝s gének meglétét. A transzformáció ugyanis azt je-lenti, hogy a baktérium idegen géneket vesz fel és építi be a saját kromoszómájába.Így egy környezeti változás után az ilyen baktériumok képesek lehetnek felvenni amigránsok által beszállított, éppen hasznossá váló géneket, majd ezeket elterjeszteniaz egész populációban a genetikai transzformációért felelo˝s génekkel együtt.A modell kulcseleme a populációk közötti gyenge migráció, amely egy újfajtatérbeliséget jelent a populációk dinamikájának modellezésénél gyakran használt exp-licit térbeliség (pl. rácsmodellek), valamint az átlagtér-közelítés mellett. Így termé-szetesen adódott, hogy a modellünk általánosításával vizsgáljuk a térbeliség szerepétevolúciós játékelméleti problémákban. Konkrétabban, bevezettünk egy minimális po-pulációstruktúrát, amelyben az egyedek kölcsönhatása két különbözo˝ (egy lokális ésegy globális) szinten zajlik hierarchikus módon. Ezt a populációstruktúrát alkalmaz-tuk az ismételt fogoly dilemma játékra, valamint a ko˝-papír-olló játékra, és olyanjelenségeket sikerült reprodukálnunk, amelyeket korábban csak részletes térbeli mo-dellek segítségével lehetett [4]. Az általunk bevezetett minimális populációstruktúraegyik legnagyobb elo˝nye éppen az, hogy képes feltárni, hogy a megfigyelt jelenségértmennyire felelo˝sek a térbeliség részletei, vagy akár már a legegyszeru˝bb térbeliségmegléte is elégséges.Ismeretes, hogy az RNS szerkezetek mutációval szembeni robusztussága ero˝söd-het azáltal, hogy a természetes szelekció a genotípusok populációját a neutrális altérbelseje felé fókuszálja. Megmutattuk, hogy a robusztusságot jelento˝sen javítja, ha apopulációban genetikai rekombináció is történhet [3].Egy másik munkánkban azt a kérdést vizsgáltuk, hogy mikro-RNS molekulákgenetikai és környezeti robusztussága között van-e kapcsolat. Megfelelo˝ méro˝szá-mokat bevezetve a robusztusság jellemzésére sikerült kimutatnunk, hogy a kétfélerobusztusság között jelento˝s korreláció tapasztalható, megcáfolva ezzel Borensteinés Ruppin korábbi eredményeit [5]. Ez alapján valószínu˝sítheto˝, hogy a genetikairobusztusság kialakulását nagyban segíti a környezeti stabilitásra történo˝ szelekció.Egyéb tudományos tevékenységA fentieken kívül a pályázat három éve alatt még további 6 tudományos cikkemszületett a komplex hálózatok témakörébo˝l (amely nem része a jelen OTKA pályá-zatnak).4

Sejtstruktúrák dinamikájának statisztikus fizikai modellezése = Statistical physical modeling of the dynamics of subcellular structures

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of the Academy's Library