Wyzwania współczesnej krystalografii

biologia
biotechnologia
chemia
fizyka
geologia
informatyka

fakultatywne

w sali

Jest to wspólny wykład pracowników Pracowni Krystalograficznej. Wykładowcami będą m.in.: prof. dr hab. Paulina M. Dominiak, dr hab. Anna Makal, dr Katarzyna Bandyra, dr Maria Górna, dr Anna A. Hoser, dr Maura Malińska, dr Mihails Arhangelskis, dr Michał Chodkiewicz, dr Roman Gajda, dr hab. Wojciech Sławiński oraz prof. dr hab. Krzysztof Woźniak. Każda z powyższych osób będzie prezentowała tematy, które uznaje za wyzwania współczesnej krystalografii.

Zestaw omawianych tematów obejmuje:

- Wyzwania współczesnej inżynierii krystalicznej;

projektowanie nowych funkcjonalnych materiałów, kokryształy – optymalizacja właściwości leków, materiałów wybuchowych, właściwości optycznych, MOFy i COFy, kryształy o nietypowych właściwościach – skaczące kryształy zrozumienie i kontrola procesu krystalizacji, polimorfizm, przewidywanie struktur, natura oddziaływań międzymolekularnych, współczesne metody przewidywania struktur, blind testy, ciekawe przykłady sukcesów

- Dynamikę sieci krystalicznej;

Podstawy teoretyczne, sfera Brilluouina, macierz dynamiczna, fonony, komplementarne pomiary INS, powiązanie z ADPsami, analiza TLS, właściwości termodynamiczne z danych dyfrakcyjnych, przełomowe prace.

- Krystalografię w projektowaniu leków;

Rozwój metod rentgenowskich przyczynił się do zebrania dużej ilości wiedzy na temat struktur białkowych, DNA i RNA, które dla niektórych przełożyły się na rozwój projektowanych ligandów i leków. Umożliwiło to powstanie metod projektowania ligandów na podstawie struktury. Do tej grupy należą ligandy zaprojektowane dla proteazy HIV, kinaz tyrozynowych, neuroamidazy i innych. Wykład będzie obejmował przegląd strategii projektowania leków na podstawie wybranych przykładów obrazujące największe sukcesy i porażki tej metody.

Zagadnienia: jakość danych białkowych, metody walidacji struktur białkowych, pozycje podstawników wodorowych, problem pKa, wiązania wodorowe, metody projektowania leków oparte o strukturę białka lub ligandu. Indeksy podobieństwa cząsteczkowego, metody eksperymentalne wyznaczania stałych wiązania ligand-białko, odkrycie inhibitorów neuraminidazy, proteazy HIV, kinaz tyrozynowych, wszystko o czym zapomnieliśmy przy udanych projektach: dynamika białek (GPCR), wpływ cząsteczek wody, kompensacja entropii - entalpii. Krótko na przykładach ligand-białko.

- Rozpoznawanie molekularne w układach chemicznych i biologicznych;

Projektowanie ligandów na podstawie wiedzy strukturalnej w chemii medycznej i ochronie roślin polega na identyfikacji słabych oddziaływań niekowalencyjnych, rozpoznaniu ich siły i zrozumieniu roli wody. Strukturalne bazy danych dla małych cząsteczek i białek są ważnymi narzędziami w organizowaniu dotychczasowej wiedzy. Pomiary termodynamiczne, w połączeniu z rentgenowską analizą strukturalną i metodami obliczeniowymi, jest kluczem do wyjaśnienia energetyki związanej z wymianą cząsteczki wody przez cząsteczki ligandu. Kieszenie wiążące białek różnią się co do kształtu, konformacyjnej dynamiki, polaryzowalności i wymagają różnych strategii projektowania ligandów. Nowe strategię optymalizacji cząsteczki wiodącej powinna obejmować analizę także innych oddziaływań m.in. wiązania halogenowe, oddziaływania π...π, π...grupa amidowa i inne.

Metody wyznaczania energii oddziaływań: liniowa zależność Hammett’a dla energii swobodnej (LFER) dla kompleksów małocząsteczkowych, energia wiązania dla kompleksów białko-ligand, energia wiązania z cyklu podwójnej mutacji (DMC)

Energia oddziaływania dla wybranych typów oddziaływań (układy białko-ligand i gość-gospodarz): pary jonowe, mostki solne, wiązania wodorowe, wiązania halogenowe, inne oddziaływania (dyspersyjne, kation...π, anion...π), oddziaływania hydrofobowe

-Banki gęstości elektronowej i ich zastosowania; Dyfrakcja elektronów

Parametry multipolowe opisujące gęstość elektronową uzyskane w wyniku udokładnienia multipolowego wybranych struktur mogą być następnie uśrednione dla podobnych typów atomowych i przechowywane w specjalnych bazach gęstości elektronowej. Gęstość elektronowa z bazy może być użyta do modelowania innych podobnych układów dla których obliczenia kwantowo-mechaniczne byłyby zbyt kosztowne. Skonstruowany w ten sposób model pozwala na przybliżone obliczenia własności gęstości elektronowej i znacznie poprawia parametry geometryczne w stosunku do modelu sferycznego atomu. Wykład zawierać będzie rys historyczny powyższego podejścia, zasady konstrukcji najpopularniejszych banków pseudoatomów, przykłady ich zastosowań w badaniach makromolekularnych i badaniach małych cząsteczek, zarówno w procesie udokładniania jak i do analizy strukturalno-energetycznej. Druga cześć wykładu zostanie poświęcona wprowadzeniu do dyfrakcji elektronowej, a następnie dyskusji o elektronowych modelach rozpraszania.

Badania strukturalne białek z użyciem promieniowania synchrotronowego;

Krystalizacja białek - przypomnienie specyfiki (krystalizacja z roztworów wodnych, duża zawartość wody w kryształach, duże komórki, konieczność pomiarów niskotemperaturowych). Produkcja białek w bakteriach i oczyszczanie, sprawdzanie jakości próbki przed nastawieniem krystalizacji. Kontrola wilgotności in situ i pomiary w temp. pokojowej dla białek w synchrotronach. Automatyzacja; roboty dla mrożonych kryształów i pipeline od hotelu po dyfrakcję in situ. Gridscan, microfocus, spektroskopia in situ. Metody rozwiązywania problemu fazowego dla białek - przypomnienie (SAD, MAD, SIR, MIR, podstawienie cząsteczkowe), S-SAD w próżni. Fragment screening, soaking: pipeline od transferu związków na płytkę, po automatyczny molecular replacement.

-Kriomikroskopia elektronowa jako alternatywa dla krystalografii białek.

Kriomikroskopia elektronowa (cryo-EM) to dynamicznie rozwijająca się technika pozwalająca na pozyskiwanie danych strukturalnych dla wielu próbek, w tym białek i kompleksów białkowych, również tych, które sprawiały problemy przy zastosowaniu podejścia krystalograficznego. Dzięki opracowaniu nowych, szybkich detektorów, cryo-EM pozwala na uzyskiwanie struktur w rozdzielczości 2-3A, co jest wystarczające do uzyskania wglądu w architekturę białek i zespołów makromolekularnych. Wykład obejmie podstawy techniki krio-EM, jej zastosowania, zalety, wady oraz kilka przykładów tego, co można osiągnąć za pomocą nowoczesnych mikroskopów krio-EM.

-Cryo-ET i zastosowania do białek błonowych: biofizyczne wlasciwosci białek błonowych; oczyszczanie i rekonstytucja białek błonowych w SUV i GUV do badań strukturalnych i funkcjonalnych; Tomografia CryoEM do charakteryzowania błon i białek błonowych; Biologia strukturalna w mezoskali: jak białka kształtują błony w celu stworzenia organelli i innych interesujących struktur komórkowych.

-Krystalografia rozdzielcza w czasie (głównie fotokrystalografia)

Badanie zmian zachodzących w strukturze ciała stałego w czasie pod wpływem bodźców zewnętrznych (np.: oddziaływania z promieniowaniem UV-vis). Podział badanych zjawisk ze względu na ich skalę czasową. Wyzwania związane z przygotowaniem i przeprowadzeniem eksperymentów fotochemicznych oraz fotokrystalograficznych, w szczególności: źródła promieniowania wzbudzającego przejścia elektronowe: diody, lasery; synchronizacja wzbudzenia elektronowego w próbce z rejestracją dyfrakcji rentgenowskiej dla przypadków o krótkich czasach życia stanów wzbudzonych; źródła promieniowania próbkującego (rentgenowskiego): lampa rentgenowska vs synchrotron, promieniowanie monochromatyczne vs metoda Lauego, zastosowania XFEL; efekty specyficzne dla pracy z próbkami o krótkich czasach życia stanów wzbudzonych: trudności w zebraniu kompletnych danych dla pojedynczego kryształu; efekty temperaturowe, maskujące subtelne zmiany strukturalne; szybka degradacja próbki. Przykłady najciekawszych eksperymentów fotokrystalograficznych, historyczne i współczesne.

-Badania krystalograficzne w warunkach ekstremalnych: krystalografia w wysokim ciśnieniu;

Rys historyczny – jak rozwijały się badania krystalograficzne w wysokim ciśnieniu na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. Podstawowe techniki, rozwiązania i odkrycia, które przysłużyły się rozwojowi badań wysokociśnieniowych. Budowa aparatury pomiarowej wykorzystywanej w badaniach wysokociśnieniowych – wady i zalety różnych typów komór wysokociśnieniowych. Omówienie dodatkowych możliwości jakie dają badania wysokociśnieniowe w porównaniu z rutynowymi pomiarami niskotemperaturowymi. Problemy i niekorzystne z punktu widzenia eksperymentatora cechy pomiarów krystalograficznych w wysokim ciśnieniu. Perspektywy rozwoju eksperymentów wysokociśnieniowcy i największe osiągnięcia ostatnich lat.

-Praktyczny wymiar pomiarów wysokociśnieniowych;

Problemy związane z przygotowaniem próbek pomiarowych charakterystyczne dla pomiarów z wykorzystaniem komór wysokociśnieniowych. Hodowla kryształów w komorach ciśnieniowych, zjawiska zachodzące w komorze podczas wzrostu kryształów. Polimorfizm i przemiany fazowe jako integralna część problematyki badań wysokociśnieniowych. Przystosowanie dyfraktometrów do badań wysokociśnieniowych i ich przebieg. Jak ciśnienie wpływa na struktury krystaliczne czyli czego można się spodziewać po wynikach pomiarów. Zagadnienia związane z analizą i interpretacją wyników pomiarów wysokociśnieniowych. Przedstawienie wybranych wyników pomiarów ilustrujących zasygnalizowane wcześniej zjawiska.

- Wyzwania zrealizowane - nagroda Nobla za badania strukturalne maszyn molekularnych;

Inne krystalograficzne nagrody Nobla

-Metody oparte na maksymalizacji entropii;

Teorie informatyczne rozwinięte przez Shannona i Jaynesa jako podstawa dzisiejszej metody MEM. Podstawowe pojęcia teorii. Entropia vs. Entropia informacyjna. MEM jako wnioskowanie statystyczne. Początki praktycznych zastosowań metody: rekonstrukcja dwuwymiarowych obrazów. Algorytmy maksymalizacji entropii rozwinięte przez Bryana i Skillinga i ich przykładowe zastosowania m. in. w obliczeniach czynników struktury, interferometrii, konwolucji danych w optyce, spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego, astronomii, medycynie i na innych polach naukowych. Statystyka w ujęciu Bayesowskim. Zastosowanie MEM w krystalografii - wybrane warianty formalizmu MEM stosowane w transformacji Fouriera. MEM jako narzędzie do wyznaczania map rozkładu gęstości elektronowej na podstawie pomiarów krystalograficznych. Zastosowania.

- Modelowanie lokalnej struktury krystalicznej oraz lokalnego nieporządku

Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego (synchrotronowego) i neutronów pomiędzy maksimami Braggowskimi. Rozpraszanie dyfuzyjne oraz modelowanie lokalnego nieporządku. Metoda funkcji korelacji par Pair Distribution Function. Narzędzia służące do analizy przy użyciu metody Pair Distribution Function, przykłady lokalnego nieporządku w kryształach. Prezentacja dostępnego oprogramowania służącego do analizy funkcji korelacji par oraz dwa możliwe podejścia analizy takich danych, w tym metoda Reverced Monte Carlo.

-Modele gęstości elektronowej w krystalografii małych cząsteczek;

Model Hansena-Coppensa- jego zalety i wady, HAR, funkcja falowa z eksperymentu, niestandardowe modele gestości dla ruchu jąder atomowych

Literatura podawana będzie w materiałach do każdego wykładu

Oczekujemy, że po wysłuchaniu wykładów jego słuchacze będą zapoznani z najciekawszymi - zdaniem pracowników naszej grupy – tematami będącymi wyzwaniami współczesnej krystalografii. Powinno to pozwolić studentom bardziej świadomie wybierać ciekawą tematykę krystalograficzną szczególnie jeśli wiążą swoją przyszłość z badaniami krystalograficznymi.

W ogólności, student po ukończeniu kursu będzie

znał i rozumiał:

- w stopniu umożliwiającym rewizje istniejących paradygmatów - światowy dorobek, obejmujący podstawy teoretyczne oraz zagadnienia szczegółowe - właściwe dla krystalografii [kod P8S_WG]

- główne tendencje rozwojowe krystalografii [kod P8S_WG]

- metodologię badań naukowych w krystalografii [kod P8S_WG]

potrafił:

- dokonywać krytycznej analizy i oceny wyników badań naukowych oraz ich wkładu w rozwój wiedzy [kod P8S_UW]

-upowszechniać wyniki działalności naukowej [kod P8S_UK]

-inicjować debatę [kod P8S_UK]

-uczestniczyć w dyskursie naukowym [kod P8S_UK]

gotów do:

- krytycznej oceny dorobku w ramach krystalografii [kod P8S_KK]

-uznania znaczenia wiedzy w rozwiązywaniu problemów poznawczych i praktycznych [kod P8S_KK]

Zaliczenie wykładu będzie odbywało się na podstawie 15 minutowej prezentacji na tematy związane z treścią wykładu przygotowanych przez słuchaczy wykładu na podstawie 2 publikacji (niekoniecznie dotyczących jednej tematyki) związanych z tematyka wykładu.

Prezentacje te będą odbywały się na sesji zaliczeniowej po zakończeniu wykładu.

brak