Лаборатория биологии и медицины

Направления исследований

Создание инновационной вычислительной молекулярно-биофизической платформы, предназначенной для эффективного рационального 3D-конструирования in silico гибридных белковых конструкций, отражающих ключевые аспекты «антигенного портрета» заданного возбудителя инфекций, в том числе с еще не охарактеризованным в деталях профилем специфичности и особенностями действия на организм человека. Помимо наличия необходимого для иммунного ответа набора антигенных детерминант, указанные синтетические конструкции (отдельные домены/фрагменты белков, полноразмерные белки и их конъюгаты), должны иметь сниженную токсичность и (при необходимости) меньшие размеры по сравнению с исходными антигенами целевого возбудителя. Будучи внедренными в состав новых вакцин, рассматриваемые конструкции могут быть использованы для борьбы с инфекционными заболеваниями различной природы — вирусными и бактериальными. Это делает предлагаемую технологию универсальным «средством быстрого реагирования» на актуальные современные эпидемиологические вызовы.

Молекулярные портреты.png

“Молекулярные портреты” — одна из технологий, разработанная сотрудниками лаборатории. Ее использование позволяет визуализировать и анализировать сложные молекулы в более простом представлении, выявляя важные участки и тонкие механизмы действия.

По работам

Trofimov YA, Krylov NA, Minakov AS, Nadezhdin KD, Neuberger A, Sobolevsky AI, Efremov RG (2024). Dynamic molecular portraits of ion-conducting pores characterizefunctional states of TRPV channels. Commun Chem 7 (1), 119
Koromyslova AD, Chugunov AO, Efremov RG (2014). Deciphering fine moleculardetails of proteins' structure and function with a protein surface topography(PST) method. J Chem Inf Model 54 (4), 1189–1199

Методы молекулярного компьютерного моделирования для создания новых вакцин

В настоящее время невозможно разработать фармацевтический препарат или вакцину без средств компьютерного моделирования, которые позволяют быстро осуществлять массированный направленный скрининг гетерогенных баз данных биологической информации с выявлением ключевых структурно-функциональных характеристик целевых молекулярных объектов и/или интересующих молекулярных детерминант, «визуализировать» проектируемые молекулы, добавлять / модифицировать / удалять необходимые блоки и предсказывать их строение и свойства in silico. Сотрудники лаборатории обладают многолетним опытом работы и высокопрофессиональной экспертизой в этой сфере, широко используя следующие методы:

Структурное моделирование биомолекул, в том числе предсказание строения белков на основе гомологии (ПО MODELLER) или нейросетевых подходов (ПО Alpha Fold, ESM Fold и т.д.), позволяющие in silico изучать структуру интересующих антигенов — белков патогена и их комплексов, вызывающих иммунный ответ, — используемых в субъединичных вакцинах для создания «портрета» возбудителя заболевания.
Структурный анализ и молекулярный докинг, которые позволяют на основе доступных 3D-моделей (экспериментальных и предсказанных in silico) изучать свойства биомолекул: внутримолекулярную подвижность; доменное устройство; специфические внутри- и межмолекулярные взаимодействия, как стабилизирующие структуру белков и их комплексов между собой, так и определяющие связывание белок–лиганд; детальный анализ и динамическое картирование физико-химических свойств молекул, таких как гидрофобность (с помощью подхода Молекулярного Гидрофобного Потенциала), электростатический потенциал, рельеф, конформационная подвижность и др.
Молекулярное картирование и технология «динамического молекулярного портрета» (ДМП) — оригинальные вычислительные подходы, хорошо зарекомендовавшие себя при решении широкого круга задач моделирования сложных биомолекулярных систем: анализ свойств поверхности, изучение контактных интерфейсов между белковыми субъединицами и т.д. (разработанное авторами ПО PLATINUM, PREDDIMER, CELL).
Моделирование молекулярной динамики (ПО GROMACS) для оценки стабильности биомолекул, их внутримолекулярной подвижности, способности к образованию комплексов, внутри- и межмолекулярных контактов, а также для расчета значений свободной энергии (включая константы ассоциации) множества молекулярных процессов, таких как сворачивание (фолдинг) / разворачивание белка, образование / разрушение комплексов и т.д.; эти алгоритмы могут быть особенно полезны при оценке изменения соответствующих характеристик, сопровождающих, например, точечные мутации в белке (∆∆G).
Создание моделей молекулярных конъюгатов / химерных белков, которые будут использованы для дизайна химерных антигенов и компьютерной оценки «качества» подобных конструкций. При решении этой задачи важное значение имеют рациональный дизайн и оптимизация линкерных участков, а также потенциальных интерфейсов белок–белок — в т.ч. за счет внесения специальным образом спроектированных точечных мутаций.
Анализ доменной структуры белков-антигенов, необходимый для задач разделения крупных белков на стабильные фрагменты, содержащие необходимые целевые антигенные детерминанты, задающие специфический «антигенный портрет» белковой конструкции и способные вызывать иммунный ответ, идентичный исходному антигену, но имеющие преимущество более простого рекомбинантного синтеза.
Предсказание B- и T-клеточных эпитопов in silico, имеющее ключевое значение в создании новых вакцин и выборе как кандидатных антигенов, так и их фрагментов для включения в состав вакцины. Использование в том числе нейросетевых инструментов, основанных на «больших языковых (белковых) моделях» (ПО SEMA).
Нейросетевой редизайн белков (задача «обратного фолдинга»), зарекомендовавший себя в работах последних лет как мощный инструмент повышения стабильности биоинженерных белковых конструкций (ПО ProteinMPNN), способных нести интересующий исследователя фрагмент (например, поверхность связывания в случае белка-«байндера»; или эпитоп в случае антигена) на одном из стандартных белково-пептидных каркасов, зарекомендовавших себя высокой стабильностью и устойчивостью к «трансплантации» подобных элементов.
Технологии молекулярного моделирования и дизайна мембранных белков, необходимые в связи с тем, что многие ключевые антигены имеют в своем составе мембрано-связанные участки (включая потенциальные, т.е. те, которые вступают во взаимодействие с водно-липидной средой лишь при сближении с мембраной). Кроме того, целый ряд важнейших антигенов способен преодолевать мембраны клеток и/или клеточных органелл. Для корректного моделирования таких белков требуются специальные вычислительные технологии и физические модели, которыми владеют и часть из которых разработали сотрудники лаборатории.

Пирофосфатный фармакофор.png

“Пирофосфатный фармакофор” — механизм действия мембраноактивного антибиотика низина, с высокой специфичностью атакующего бактериальные мембраны, распознавая “Ахиллесову пяту” этих мембран: специфичную для бактерий молекулу липида II, содержащую пирофосфатную группу.

По работе