Μια καινοτόμα ερευνητική πρόταση, με επικεφαλής τον ερευνητή Ζαχαρία Φαίδωνα Μπροτζάκη, αξιοποιεί αλγόριθμους Νευτώνειας φυσικής και τεχνητής νοημοσύνης για να βελτιώσει τη γνώση μας γύρω από την αλληλεπίδραση σπάνιων χημικών δομών και ανοίγει δρόμους για την αντιμετώπιση, μεταξύ άλλων, νευροεκφυλιστικών ασθενειών. Η έρευνα έλαβε το βραβείο «Γ.Θ. Φωτεινού» της Ακαδημίας Αθηνών κατά την πρόσφατη απονομή.
Στον κλάδο της Χημείας και της πρόβλεψης χημικών ουσιών που θα χρησιμοποιηθούν στη χημική ή τη φαρμακευτική βιομηχανία, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε γρήγορα και με ακρίβεια τις αλληλεπιδράσεις των χημικών ουσιών μεταξύ τους, ώστε με βάση την κατανόηση αυτή να προτείνουμε νέες βελτιωμένες χημικές ουσίες, οι οποίες θα χρησιμεύσουν στην καταπολέμηση ασθενειών ή στην κατάλυση αντιδράσεων.
Μέχρι σήμερα τα πειράματα και οι υπολογιστικές μοριακές προσομοιώσεις, που λειτουργούν ως υπολογιστικό μικροσκόπιο, στον τομέα αυτό δεν έχουν καταφέρει να δώσουν ακριβείς απαντήσεις για τις σπάνιες δομές και για τις αλληλεπιδράσεις των χημικών ουσιών.
Στο άρθρο «Μεθοδολογία ενσωμάτωσης πειραματικών μικροσκοπικών ρυθμών αντίδρασης ως κινητικούς περιορισμούς στις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής», που δημοσιεύθηκε στο αμερικανικό περιοδικό «Proceedings of the National Academy of Sciences» και βραβεύθηκε από την Ακαδημία Αθηνών, η ομάδα ερευνητών από τα πανεπιστήμια του Άμστερνταμ και Cambridge κατάφερε να αυξήσει την ευκρίνεια και την ακρίβεια των μοριακών προσομοιώσεων με αποτέλεσμα να μπορεί να εντοπίσει σπάνιες δομές πρωτεϊνών, οι οποίες δεν είναι πειραματικά ευκρινείς, αλλά την ίδια ώρα είναι απόλυτα σημαντικές.
Αυτή η μεθοδολογία έχει πιθανό πεδίο εφαρμογής στην ανακάλυψη φαρμάκων για την προβληματική αναδίπλωση πρωτεϊνών (misfolding proteins), που συνδέεται με περισσότερες από 100 ασθένειες, μεταξύ των οποίων νευρολογικές νόσοι, όπως το Αλτσχάιμερ, το Πάρκινσον και η πλάγια μυοτροφική σκλήρυνση (ALS).
Όπως εξηγεί ο Ζαχαρίας Φαίδων Μπροτζάκης στο ΑΠΕ-ΜΠΕ, «τέτοιες αναδιπλούμενες πρωτεΐνες είναι πολύ δυναμικές και καμία από τις κλασικές πειραματικές μεθόδους δεν μπορεί να διακρίνει ρεαλιστικά τις δομές τους. Ως εκ τούτου, η κλασική ανακάλυψη φαρμάκων που προϋποθέτει τη γνώση των δομών αυτών των πρωτεϊνών για να καταφέρει την επίθεση ενάντιά τους με χημικές ουσίες πιθανής δράσης, κρίνεται αβέβαιη».
Με τη συγκεκριμένη μεθοδολογία, υπογραμμίζει ο κ. Μπροτζάκης, «ευελπιστούμε ότι επειδή έχουμε ακριβή πρόσβαση στην ταχύτητα και τη δύναμη της αλληλεπίδρασης αυτών των πρωτεϊνών-στόχων, θα μπορέσουμε να επιτεθούμε και να προτείνουμε, αρχικά με τη χρήση υπολογιστικών μοντέλων, χημικές ουσίες, με πιθανή φαρμακευτική δράση, οι οποίες θα έχουν καλή αλληλεπίδραση με ολόκληρο το σύνολο των σπάνιων δομών».
Κατά την περίοδο δημοσίευσης του άρθρου, ο Ζαχαρίας Φαίδων Μπροτζάκης ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Κέντρο για τις Ασθένειες που σχετίζονται με την Προβληματική Αναδίπλωση Πρωτεϊνών του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Κέμπριτζ (Centre for Misfolding Diseases), σε συνεργασία με τον καθηγητή M. Vendruscolo, και υπότροφος της Ομοσπονδίας των Ευρωπαϊκών Βιοχημικών Εταιρειών (FEBS). Σήμερα είναι μέλος της ερευνητικής ομάδας του Ινστιτούτου Βιοκαινοτομίας του Ερευνητικού Κέντρου Βιοϊατρικών Επιστημών «Αλέξανδρος Φλέμινγκ», διευθυντής του οποίου είναι ο ερευνητής Γιώργος Σκρέτας. Εκεί ασχολείται με τις υπολογιστικές προσομοιώσεις για γρήγορη ανακάλυψη φαρμακευτικών ουσιών για την προβληματική αναδίπλωση πρωτεϊνών.
Ο τομέας της προβληματικής αναδίπλωσης πρωτεϊνών επισημαίνει ότι είναι ένα πεδίο που τον ενδιαφέρει πολύ και το ενδιαφέρον προκύπτει κυρίως από μια κοινωνική αναγκαιότητα. «Σύμφωνα με τις προβλέψεις του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας, σχεδόν 80 εκατομμύρια άνθρωποι αναμένεται να νοσούν με Αλτσχάιμερ το 2030. Το Αλτσχάιμερ είναι μόνο μία από τις ασθένειες που σχετίζονται με την προβληματική αναδίπλωση πρωτεϊνών και αφορά έναν τόσο μεγάλο αριθμό ασθενών. Την ίδια ώρα, όμως, δεν είναι ιάσιμη ασθένεια, παρά το γεγονός ότι υπάρχουν 30 χρόνια προσπαθειών για να βρεθούν φάρμακα. Αυτό θεωρώ ότι οφείλεται στην πολυπλοκότητα αυτών των ασθενειών. Θεώρησα ότι το οπλοστάσιο των μοριακών προσομοιώσεων μπορεί να εφαρμοστεί σε αυτή την κατηγορία προβλήματος, όπου η κλασική φαρμακευτική αντιμετωπίζει προβλήματα», επισημαίνει.
Ο κ. Μπροτζάκης άρχισε να ασχολείται με τις μοριακές προσομοιώσεις ήδη από τη φοίτησή του ως προπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβειου Πολυτεχνείου, υπό την επίβλεψη του καθηγητή, Δώρου Θεοδώρου. Στη συνέχεια έλαβε το διδακτορικό του δίπλωμα από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, επιβλεπόμενος από τον καθηγητή P.Bolhuis, πάνω στις μοριακές προσομοιώσεις βιομορίων και ακολούθησε η πρώτη του μεταδιδακτορική έρευνα στο Τμήμα Χημείας του Ελβετικού Ομοσπονδιακού Τεχνολογικού Ινστιτούτου Ζυρίχης (ETH) στο ίδιο αντικείμενο, υπό την επίβλεψη του καθηγητή M. Parrinello.
Μαρία Κουζινοπούλου
Σ.Σ. Επισυνάπτονται φωτογραφία του Ζαχαρία Φαίδωνα Μπροτζάκη από τη βράβευση της Ακαδημίας Αθηνών, καθώς και σχεδιάγραμμα που αποτυπώνει το μονοπάτι αναδίπλωσης της πρωτεΐνης κιγνολίνης (chignolin). Αριστερά και δεξιά απεικονίζονται οι συνήθειες δομές της αποδιπλωμένης (μη λειτουργικής) και διπλωμένης (λειτουργικής) πρωτεΐνης, αντίστοιχα. Στο κέντρο οι σπάνιες μεταβατικές δομές (TS), όπου η αριστερά αποτελεί πρόβλεψη από απλή υπολογιστική προσομοίωση μοριακής δυναμικής και δεξιά η ακριβής σπάνια δομή, η οποία σχημάτιζε περισσότερους δεσμούς υδρογόνου, όπως προκύπτει από τη μεθοδολογία που προτείνεται στο άρθρο.
πηγή ΑΠΕ ΜΠΕ
