modelowania makromolekuł wydawało się interesującym zadaniem. W pewnym sensie tego typu podejście zbliżone było do idei de Gennes a, z jedną jednak

Transkrypt

1 Zarys historii Pracowni Teorii Biopolimerów Wydziału Chemii UW (Zakład Dydaktyczny Chemii Teoretycznej i Krystalografii) prof. dr hab. Andrzej Koliński Pracownia Teorii Biopolimerów jest jedną z mniejszych i najmłodszych pracowni Wydziału Chemii UW. Powstała w roku 1998 z inicjatywy ówczesnego dziekana WCh profesora Stanisława Głąba. Powołanie pracowni miało na celu wsparcie nowego na wydziale kierunku badań teoretycznych, rozpoczętych ponad dziesięć lat wcześniej przez kilku pracowników, wywodzących się z kierowanej przez profesora Andrzeja Orszagha Katedry Technologii Chemicznej, a potem pracujących w Ośrodku Obliczeniowym WCh. Początkowy skład osobowy nowej pracowni to: jej kierownik prof. Andrzej Koliński oraz dwaj doktorzy Piotr Romiszowski i Andrzej Sikorski. Obecny skład zespołu to: prof. dr hab. Andrzej Koliński, dr hab. Andrzej Sikorski, dr hab. Dominik Gront, dr hab. Sebastian Kmiecik, dr Maciej Błaszczyk, dr Maksim Kouza, dr Mateusz Kurciński oraz doktoranci i magistranci. Jeszcze przed powstaniem Pracowni Teorii Biopolimerów, korzystając z życzliwego wsparcia kierownika Katedry Technologii Chemicznej i pracowników katedry, Andrzej Koliński i współpracownicy zainicjowali nowy kierunek badań. W tamtych czasach pojawiło się mnóstwo nowych materiałów, mających istotny wkład do kolejnej fazy rewolucji przemysłowej. Ówczesny opis teoretyczny układów makrocząsteczkowych, jakimi są polimery, był bardzo elegancki, ale dość ogólny. Źródło wiedzy podstawowej z tego zakresu stanowiły prace amerykańskiego badacza Paula Johna Flory ego, wyróżnione w roku 1974 Nagrodą Nobla z chemii. Wraz z lawinowo rosnącą ilością poznawanych, projektowanych i stosowanych materiałów polimerowych, duże znaczenie zaczęło mieć trochę inne podejście badawcze, wykorzystujące uproszczone opisy statystyczne złożonych układów makrocząsteczkowych. Znaczny wkład w rozwój tego typu nowych metod teoretycznych miał francuski fizyk Pierre-Gilles de Gennes, uhonorowany Nagrodą Nobla w roku W tym okresie, kiedy to miała miejsce wspomniana zmiana paradygmatu opisu układów polimerowych, dość szeroko zaczęły być używane metody modelowania komputerowego obiektów chemicznych. Mechanika molekularna była już dość powszechnie stosowana w symulacjach prostych układów cząsteczkowych, cieczy i roztworów. Jednak z powodu ograniczonych możliwości ówczesnych komputerów i dużego rozmiaru (liczby atomów) badanych układów, mechanika cząsteczkowa nie mogła radzić sobie z modelowaniem makromolekuł. W zasadzie jest tak do dziś, pomimo gigantycznego wzrostu szybkości i pojemności maszyn liczących. W tym kontekście opracowanie uproszczonych sposobów 1

2 modelowania makromolekuł wydawało się interesującym zadaniem. W pewnym sensie tego typu podejście zbliżone było do idei de Gennes a, z jedną jednak zasadniczą różnicą o ile w rozważaniach teoretycznych de Gennes a przybliżone modele są opisywane za pomocą przybliżonych schematów statystycznych, o tyle odpowiednio zaprojektowane modele symulacyjne dają ścisły opis modeli przybliżonych. Zapoczątkowane badania układów polimerowych metodami modelowania komputerowego spotkały się ze sporym uznaniem, tak, że po wyjeździe na staż podoktorski do Washington University w Saint Louis (USA) A. Koliński zapoczątkował tą tematykę w grupie profesora Roberta Yarisa, a potem kontynuował ją w trakcie długoletniej współpracy z doktorem Jeffreyem Skolnickiem. Obecnie modelowanie molekularne polimerów syntetycznych kontynuowane jest w PTB przez dr hab. Andrzeja Sikorskiego i współpracowników, w tym we współpracy z dr. Piotrem Romiszowskim (już na emeryturze). W szczególności dr Sikorski prowadzi bardzo ciekawe badania wielkocząsteczkowych polimerów o rozgałęzionej strukturze. W czasie, kiedy prowadzone były wspomniane badania układów polimerowych, miał miejsce jakościowy przełom w biologii strukturalnej. Bardzo szybko zaczęła rosnąć liczba wyznaczonych doświadczalnie trójwymiarowych struktur białek globularnych. Liczba nowych białek (o nowo poznanej sekwencji aminokwasowej łańcucha polipeptydowego) rosła jednak dużo szybciej. Tak jest i dziś. Pod wieloma względami białka to wyjątkowe polimery o skomplikowanym składzie i wyjątkowo złożonych własnościach strukturalnych (ale też wyjątkowej dynamice zmian strukturalnych). Doświadczenie, zdobyte w badaniach układów polimerowych, okazało się dobrym punktem wyjściowym do sformułowania nowej strategii modelowania molekularnego białek. W latach A. Koliński opracował szereg gruboziarnistych modeli, o różnych poziomach dokładności, stosowanych do analizy mechanizmów zwijania białek, co pod koniec tego okresu umożliwiło teoretyczne przewidywanie struktury przestrzennej z dokładnością zbliżoną do dokładności (rozdzielczości) struktur wyznaczonych doświadczalnie. Wykorzystanie modeli przybliżonych do teoretycznych badań bio-makromolekuł jest dziś ważnym i szeroko stosowanym kierunkiem badań. Pionierzy tej dziedziny, Martin Karplus, Michael Levitt i Arieh Warshel uhonorowani zostali w roku 2013 Nagrodą Nobla. Od początku istnienia PTB opracowano szereg oryginalnych gruboziarnistych modeli polimerów, a przede wszystkim białek. Takie modele umożliwiają badanie większych układów i znacznie bardziej długotrwałych zjawisk niż jest to możliwe za pomocą klasycznych metod modelowania molekularnego. Dobrym przykładem takiego modelu gruboziarnistego jest model CABS (C-Alpha, Beta and Side chains) (Rys. 1), w którym całe grupy atomów, 2

3 tworzących molekuły białek, zastępowane są zjednoczonymi pseudoatomami. To zmniejsza liczbę stopni swobody i tym samym przyśpiesza symulacje komputerowe tysiące razy. Można więc badać długotrwałe procesy, na przykład zwijanie struktury natywnej dużych białek, co nie jest osiągalne metodami klasycznymi. CABS jest doskonałym narzędziem do teoretycznego przewidywania struktury przestrzennej białek. Pokazano to w wielu ogólnoświatowych konkursach CASP (Critical Assesment of protein Structure Prediction methods). W konkursie CASP6 grupa Kolinski-Bujnicki (używająca metody CABS) została skalsyfikowana jako jedna z dwóch najlepszych spośród około 200 wiodących zespołów badawczych biologii strukturalnej, biorących udział w tym ogólnoświatowym eksperymencie. W kolejnych edycjach CASP kilkakrotnie najlepsze rezultaty osiągał dr Yang Zhang (były współpracownik A. Kolińskiego i J. Skolonicka), używający zmodyfikowanej metody CABS i zaawansowanych narzędzi bioinformatycznych. Rys. 1: Gruboziarnista reprezentacja białek Gruboziarniste traktowanie molekuł wymaga opracowania specyficznych modeli oddziaływań (pól siłowych). W PTB opracowuje się unikalne pola siłowe, oparte nie wprost na modelach oddziaływań atomowych, ale na specyficznej analizie regularności obserwowanych w eksperymentalnych badaniach strukturalnych. Te oparte na wiedzy potencjały statystyczne (knowledge based statistical potentials) są potężnym narzędziem 3

4 badawczym. Głębszą analizę tych zagadnień pracownicy PTB opisali w artykule przeglądowym z 2016 r. w renomowanym Chemical Reviews. Tematyka artykułu została zaprezentowany na okładce tego czasopisma (Rys. 2). Prace badawcze, prowadzone w PTB, spotykają się z dużym uznaniem środowiska naukowego. Wyniki badań zostały przedstawione na licznych konferencjach międzynarodowych, często w formie zaproszonych wykładów plenarnych. Dorobek pracowni prezentowany jest także w około 300 publikacjach naukowych. Są to oryginalne artykuły w renomowanych czasopismach naukowych, prace przeglądowe i rozdziały w monografiach. W ostatnich latach duży nacisk zespół pracowni kładzie na wygodne udostępnianie opracowanych narzędzi modelowania molekularnego innym badaczom. W tym celu stworzono szereg serwerów internetowych (Rys. 3), umożliwiających wykonanie ważnych obliczeń. Korzystają z nich nie tylko osoby zajmujące się różnymi problemami modelowania molekularnego, ale także badacze eksperymentaliści. Serwery służą jako wsparcie różnorakich badań, w szczególności z zakresu biologii molekularnej białek, ale też projektowania leków i pokrewnych dziedzin. Serwery te, a tym samym metody modelowania tworzone w PTB, są wykorzystywane przez tysiące badaczy z całego świata. 4

5 Rys. 2: Okładka czasopisma Chemical Reviews oraz strona tytułowa publikacji Coarse- Grained Protein Models and Their Application (Chem. Rev. 2016, 116, ) W pracowni wykonano kilkadziesiąt prac magisterskich, obroniono kilkanaście doktoratów a także sfinalizowano kilka rozpraw habilitacyjnych (dr Andrzej Sikorski, dr Sebastian Kmiecik, dr Dominik Gront). Kilku byłych studentów PTB pracuje dziś w renomowanych ośrodkach naukowych w Europie i Stanach Zjednoczonych, a ich publikacje naukowe były już cytowane parę tysięcy razy. W trudnych czasach na początku istnienia pracowni olbrzymim wsparciem finansowym, ale też edukacyjno-badawczym, było to, że kierownik pracowni był też stale afiliowany z renomowanymi ośrodkami badawczymi w USA, w tym z Department of Molecular Biology, Scripps Research Institute, San Diego, California, potem z Donald Danforth Plant Science Center, San Diego, Missouri, a w latach Center of Excellence in Bioinformatics, Uniwersytetu Stanu Nowy York w Buffalo. Amerykańskie granty badawcze pozwalały fundować liczne staże dla młodych pracowników PTB, a także finansować zakup sprzętu komputerowego dla pracowni. Istotnym wsparciem, dla prowadzonych badań było też międzynarodowe stypendium Howard Hughes Medical Institute. 5

6 W ostatnich kilkunastu latach pracownia jest też dobrze finansowana ze źródeł krajowych, uniwersyteckich, grantów NCN (w tym grant Maestro), a także przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej (grant TEAM i nagroda FNP dla A. Kolińskiego). 6

7 Rys. 3: Narzędzia modelowania molekularnego udostępnione na stronie PTB 7

8 Rys. 4: Zespół PTB i współpracownicy (rok 2017) 8