Diptool, bo o nim mowa, to oprogramowanie przesiewowe do szybkiego określania powinowactwa środka przeciwdrobnoustrojowego na podstawie energii swobodnej do różnych typów błon lipidowych, a więc także błon komórkowych bakterii. Narzędzie pozwala na modelowanie interakcji międzycząsteczkowych, co umożliwia wizualizację trajektorii cząstek i analizę ich energii swobodnej. Jest zdecydowanie szybsze niż klasyczne metody i ma przyjazny użytkownikowi graficzny interfejs – pracując na nim badacz może uruchamiać symulacje z zadanymi przez siebie parametrami i na bieżąco śledzić wyniki oraz różne statystyki w postaci graficznej.

Badania nad zupełnie nowymi związkami antybakteryjnymi są bardzo czasochłonne, tym bardziej że do przetestowania są miliony cząstek. Nowe narzędzie może skutecznie przyspieszyć te prace. Jak tłumaczy w rozmowie z PAP dr Rzycki, dzięki Diptool naukowiec może prowadzić wirtualne eksperymenty na komputerze, jeszcze zanim dany związek chemiczny zostanie zsyntetyzowany w laboratorium. Otwiera to zupełnie nowe możliwości, jeśli chodzi o poszukiwania nowych klas detergentów i środków przeciwdrobnoustrojowych. – Nasz model jest naprawdę prosty. Umożliwia szybkie wyłowienie pewnych cząstek z wielkich baz danych. W obecnych czasach takie bazy są absurdalnie ogromne, dlatego dobrze jest mieć takiego pomocnika, który nie angażując za bardzo naszych zasobów czasowych i komputerowych, jest w stanie wyodrębnić te najbardziej obiecujące związki – podkreśla autor narzędzia. Artykuły opisujące prace nad narzędziem Diptool oraz jego skutecznością dr Rzycki, wraz ze współpracownikami (prof. Sebastianem Kraszewskim i prof. Martą Gładysiewicz-Kudrawiec z Politechniki Wrocławskiej), opisał na łamach „Scientific Reports” oraz „Materials”.

– Diptool pozwala ocenić wybrane związki przeciwdrobnoustrojowych na podstawie ich własności. Dzięki niemu mogliśmy zaproponować udoskonaloną klasyfikację tych związków pod kątem ich interakcji z błonami komórkowymi i potencjalnej aktywności przeciwdrobnoustrojowej. Podejście to ma szczególną wartość w analizie cząstek i opracowywaniu nowych leków ukierunkowanych na szczepy bakteryjne oporne na antybiotyki – tłumaczy dr Rzycki. Tworzenie narzędzia rozpoczął w ramach przygotowywania swojego doktoratu. Zaczął się wtedy zastanawiać się, czy istnieją wspólne cechy, np. strukturalne, które wykazują wszystkie związki antybakteryjne. – Wraz z promotorem szukaliśmy parametrów, które pozwolą ocenić, że związek A jest skuteczniejszy wobec jakiejś bakterii niż związek B  – wyjaśnia rozmówca PAP.

Metod takich poszukiwań jest wiele, jednak naukowcy nie byli z nich zadowoleni. Przede wszystkim dlatego, że nie dało się ich między sobą w pełni porównywać, ponieważ wykorzystywały różne protokoły eksperymentalne.  – Dlatego my, jako teoretycy, postanowiliśmy podjeść do tego tematu inaczej, sprowadzając wszystko do wartości liczbowych. Wykorzystaliśmy metodę, która nazywa się QSAR – mówi. QSAR (quantitative structure-activity relationship) to technika, która w różny sposób stara się powiązać aktywność biologiczną z rozmaitymi parametrami strukturalnymi danej grupy związków. W toku badań okazało się, że kilka spośród tych parametrów powtarza się i można je uznać za znaczące. Były to m.in.: moment dipolowy związków, współczynnik podziału oraz rozmiar cząsteczki (stosunek długości do szerokości). Następnie dr Rzycki zaimplementował te cechy w postaci numerycznej, korzystając ze znanych metod całkowania równań ruchu i zależności układów termodynamicznych. – Są pewne rozwiązania numeryczne, które pozwalają na zastosowanie tych praw do takich zamkniętych układów, z jakimi my mieliśmy do czynienia. W naszym wypadku ograniczaliśmy wszystko do oddziaływania dipoli ze sobą. Czyli ze wszystkich wcześniej wyodrębnionych parametrów skupiliśmy się wyłącznie na obserwacjach ruchu i energii układu – opowiada.

Naukowcy przygotowali model uproszczonej błony lipidowej, jednak podeszli do tego trochę inaczej niż się to zwykle robi. – Nasza cząstka była reprezentowana tylko przez jeden dipol o odpowiedniej wartości, a sama błona przez specyficzny układ dipoli, określony na podstawie dotychczasowych badań z zakresu dynamiki molekularnej. Następnie badaliśmy, jak zachowuje się energia takiego układu, czyli jak jedne cząstki oddziałują na drugie – przybliża ekspert. Obserwując, jak dana cząstka wchodzi w interakcję z błoną i wyliczając energię, jaka się z tym wiąże, można było ocenić, czy dany związek jest dobrym kandydatem do dalszych testów eksperymentalnych, czy też nie. Jednym słowem, czy może być potencjalnym środkiem antybakteryjnym.

Dr Rzycki podkreśla, że dzięki Diptool cała ta procedura odbywa się o wiele szybciej niż pozwalały na to klasyczne metody. – Nasze narzędzie umożliwia formułowanie podobnych wniosków, ale zajmuje zdecydowanie mniej czasu. Przestudiowanie jednej cząsteczki zajmuje nam minuty lub godziny, a w przypadku tradycyjnych metod dynamiki molekularnej są to dni lub tygodnie. Diptool bardzo przyspiesza identyfikację obiecujących związków, które następnie mogą być testowane eksperymentalnie przez badaczy – zdradza naukowiec. Jeśli chodzi o skuteczność narzędzia, to jest ona wysoka. Jak mówi dr Rzycki, aktywność cząsteczek, scharakteryzowana w Diptool, była zbieżna względem wyników z dotychczas stosowanych, klasycznych narzędzi. – Nasze badania pokazują, że ta metoda jest obiecująca i wykazuje wysoką skuteczność – podsumowuje. 

Autorka: Katarzyna Czechowicz (Nauka w Polsce)

Źródło: naukawpolsce.pl