Forskere fra Institut for Matematik publicerer i Nature Communications

Forskere fra Institut for Matematik har i et interdisciplinært har i et interdisciplinært samarbejde udviklet en matematisk metode til at analysere proteiners tredimensionelle struktur. Den nye metode kan blive et vigtigt værktøj i udviklingen af nye lægemidler, og den er et skridt på vejen til at løse det såkaldte foldningsproblem, som videnskaben har tumlet med i et halvt århundrede.

18.12.2014 | Lars Madsen

Den nye matematiske metode tilbyder en simpel måde at skabe et standardiseret og samlende overblik over et proteins struktur, i stedet for at skulle undersøge proteinets strukturelementer et ad gangen. Dette er et vigtigt fremskridt, da der for de fleste proteiners vedkommende er en tæt sammenhæng mellem dets rumlige struktur og dets funktion.

Jørgen Ellegaard Andersen, leder af Center for Kvantegeometri af Modulirum (QGM) ved Matematisk Institut har stået i spidsen for udviklingen af metoden, som er sket i tæt samarbejde med både andre forskere ved QGM, Professor i statistik Jens Ledet Jensen (Matematisk Institut) samt forskere fra andre enheder ved Aarhus Universitet: Institut for Kemi, Institut for Fysik og Astronomi, Institut for Molekylærbiologi og genetik, tre andre DG Centers of Excellence: Center for DNA Nanoteknologi (CDNA), Center for Uopløselige Proteinstrukturer (inSPIN) og Center for Membranpumper i celler og sygdom (PUMPkin) såvel som Interdisciplinary Nanoscience Centre (iNANO).

Metoden tager udgangspunkt i, at man ved hjælp af kvantefeltteori og kvantegeometri kan karakteriserer et proteins enkelte hydrogenbindinger ved rotationer. Metoden har gjort brug af den store samling af data for over 90.000 forskellige proteiner i Protein Data Bank (PDB)

I praksis udvælges en hydrogenbinding fra et protein i PDB og det fastlægges, hvordan de to forbundne peptidenheder i en sådan hydrogenbinding er placeret i forhold til hinanden. Man roterer hele molekylet således at det ene peptidenhed i den udvalgte hydrogenbinding bringes i standard position. Den rotation som er tilordnet den udvalgte binding er den som bringer peptidenheden i standard position over i den anden peptidenhed som den er hydrogen bundet til. Rotationen for alle hydrogen bindingerne i et protein giver et nyt datasæt af vektorer, som er karakteristisk for proteinet. Disse kan sammenlignes uden nogen brug af alignment. - Endvidere udgør denne karakteristiske rotation for hver hydrogenbinding en ensartet metode til samtidig at betragte og behandle sekundære strukturer, turns, loops og ustrukturede områder, som hidtil har været behandlet hver for sig.

Forskerne har ved hjælp af den nye matematiske metode vist, at alle hydrogenbindinger for alle proteiner i PDB samler sig i 30 dataklynger, der kun fylder 32 pct. af volumen af alle rotationer. Dette mønster som hydrogenbindingerne viser, er ikke rent lokalt men globalt for hele proteinet. Det er formet gennem evolutionen af proteiners struktur. Dette er dokumenteret ved en DFT analyse.

Kontakt person: Jørgen Ellegaard Andersen

Forskning