SZTE TTIK Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek
Csoportunk (eredetileg Biokoordinációs Kémiai Kutatócsoport néven) 1983-ban alakult. Jelenlegi fő profilja a biomimetikus kis- és biológiai makromolekulák fémionokkal való kölcsönhatásának tanulmányozása. Kutatásaink célja (i) rákellenes, antidiabetikus szerek kifejlesztése, azok biospeciációjának tanulmányozása, (ii) neurodegeneratív betegségekben felhasználható kelátterápiás szerek vizsgálata, (iii) metalloenzimek funkcionális modelljeinek (katalizátorok) kifejlesztése gyakorlati felhasználás céljából, (iv) szelektív fémion-szenzorok kifejlesztése, (v) toxikus fémionok megkötésére alkalmas eljárások kidolgozása környezetvédelmi célokra, valamint (vi) genetikai betegségek terápiájára is alkalmas biztonságosan működő mesterséges metallonukleáz enzimek kifejlesztése.
Csoportunkat 1999-től Kiss Tamás egyetemi tanár vezeti, annak jelenlegi minősített tagjai: Gajda Tamás egy. tanár, Gyurcsik Béla egy. docens, Enyedy Éva Anna, Jakusch Tamás, Jancsó Attila egy. adjunktusok, Szorcsik Attila tud. munkatárs, Czene Anikó és Dömötör Orsolya tud. segédmunkatársak.
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek A bioszervetlen kémiai folyamatok alapvetően kétféle módon közelíthetők meg: a metalloproteinek modelljeivel, valamint magukkal a fehérjékkel. A modellvegyületek mellett, a molekuláris biológiai eszközöket felhasználva, lehetőség nyílik fehérjék tanulmányozására is. Ezek a vizsgálatok hozzásegítenek bennünket olyan folyamatok megértéséhez, mint a fémionháztartás, vagy a metalloenzimek működése. Ez lehetővé teheti, hogy befolyásoljuk is a folyamatokat, ami környezetvédelmi, analitikai, gyógyászati, ipari célokra történő felhasználáshoz vezethet mesterséges fémion-akkumuláló molekulákon, szelektív fémionszenzorokon, illetve biztonságosan működő mesterséges enzimeken keresztül.
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek SZELEKTÍV FÉMIONKÖTŐ FEHÉRJÉK
A bakteriális fémion-homeosztázis kulcsszereplői olyan fémion- érzékeny transzkripciós fehérjék, melyek egy fémion-koncentráció megváltozására úgy reagálnak, hogy a fémion szintjét befolyásoló fehérjék képződését indukálják vagy gátolják. A MerR fehérjecsaládba tartozó CueR a réz(I)-ionok effluxát szabályozza, és működése rendkívül érzékeny és szelektív a 11. csoport egyértékű fémionjaira. A szelektivitás mibenléte azonban nem tisztázott. Ugyanakkor ez szabályzó-érzékelő mechanizmus kihasználható arra, hogy olyan genetikailag módosított baktériumokat tervezzünk, melyek egy adott fémion jelenlétében fluoreszcens fehérjét (is) termelnek, ezzel jelezve a fémion jelenlétét ill. koncentrációjának megváltozását. A kutatás célja: A CueR (és más szabályzó fehérjék) működése molekuláris alapjainak feltárása a fehérje és a fémkötő-helyet modellező peptidek fémion-kölcsönhatásának vizsgálatával. A CueR szabályzó mechanizmus-át alkalmazó módosított baktériumok előállítása, melyek egy adott fémion jelenlétében fluoreszcens EGFP fehérjét termelnek.
Együttműködő partnerek: University of Copenhagen (Denmark), CEA, Grenoble (France)
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek SZELEKTÍV FÉMIONKÖTŐ FEHÉRJÉK A CueR fehérje működési mechanizmusának feltárása ACPGDDSADCPI
(EC)
E. coli CueR
SCPGDQGSDCPI
(PP)
V. cholerae CueR
SCPGDQGSDCSI
(PS)
SCHGDQGSDCSI
(HS)
módosított szekvenciák
Ac-SCHGDQGSDCSI-NH2
Fémion-érzékelő baktérium fejlesztése H2O/ COO─
+HgII S−
HgII
+ZnII
S−
ZnII S−
S− Im
Ac-Ser
S+
Ag
Pro-Ile-NH2
?
SH
-
Ac-Ser
Együttműködő partnerek: University of Copenhagen (Denmark), CEA, Grenoble (France)
S
+
Ag
-
S
Pro-Ile-NH2
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek MESTERSÉGES NUKLEÁZ HATÁSÚ FEHÉRJÉK
A végzetes kimenetelű, monogenetikus betegségek (mint pl. a Duchenne-féle izomdisztrófia) gyógyítása megoldható lenne a hibás génszakasz korrekciójával úgy, hogy közben a genom egyéb részei érintetlenek maradnak. Ígéretes stratégia erre a sejtek saját javító mechanizmusainak indukálása tervezett genetikai “ollók” (mesterséges nukleázok) által végrehajtott DNS hasítással. A javítási folyamat befolyásolható egy, a hibátlan genetikai kódot tartalmazó DNS templáttal. Terápiás célra létfontosságú, hogy az alkalmazott nukleáz specifikusan ismerje fel a hibás DNS szekvenciát. Több nukleázt is kifejlesztettek már, melyekkel bíztató eredményeket közöltek a szakirodalomban. A cinkujjFokI, TALE-FokI és CRISPR-Cas9 fantázianevűek a legismertebbek közülük. Az utóbbiak 2015-ben humán sejtekben alkalmazva élénk diszkussziót váltottak ki a Nature folyóiratban. Ki kell emelni azonban ezen enzimek nem szabályozott működését, mint egyik fő hátrányukat.
Az MTA-SzTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoportban egy olyan új, biztonságos mesterséges nukleázt fejlesztünk ki, melynek működése az intramolekuláris allosztérikus aktiválás új koncepcióján alapul.
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek MESTERSÉGES NUKLEÁZ HATÁSÚ FEHÉRJÉK Ehhez a colicin E7 fehérje metallonukleáz doménjét használjuk, ugyanis ebben a fehérjében az aktív központhoz közel kerül a szekvencia egy távolabbi része, amely nélkül a nukleáz nem aktív. Azaz, az enzim működéséhez az N-, illetve C-terminális szegmenseinek megfelelő kölcsönhatása szükséges. Az új enzimben ez az aktiváló szabályozás kizárólag akkor lép életbe, amikor a megfelelő módon beépített DNS-t felismerő domén (pl. cinkujj vagy TALE) a specifikus célszekvenciához kötődik, így a nukleáz csak ezután hasíthatja el a DNS molekulát. További előnye az új nukleázoknak, hogy a fentiekben leírtak miatt aktivitásuk megszűnik, amennyiben a sejten belül bármilyen módon megsérülnek. Így elkerülhetők az esetleges mellékhatások.
A kutatás célja: Allosztérikus szabályozás tanulmányozása a colicin E7 fehérje metallonukleáz doménjében: a fehérjében mutációkat hozunk létre és vizsgáljuk az ezáltal bekövetkező nukleáz aktivitás és DNS-kötés változását, fémionkötés módját. Colicin E7 nukleáz domén hozzáfűzése cinkujjakhoz és TALE fehérjékhez. Amellett, hogy a projekt során jelentős alapkutatási kérdéseket válaszolunk meg, a kutatás eredményei a jövőben innovatív terápiás eljárások alapját képezhetik, melyek révén ma még gyógyíthatatlan genetikai betegségektől szenvedő embertársainkon segíthetünk. Együttműködő partnerek: University of Vienna (Austria), University of Tsukuba (Japan), Danish Technical University, University of Copenhagen (Denmark), Czech Academy of Sciences (Czech Rep.)
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek KIS MOLEKULATÖMEGŰ MESTERSÉGES METALLOENZIMEK A natív enzimekhez hasonló aktivitással, szelektivitással, és működési mechanizmussal rendelkező kis molekulatömegű fémkomplexek kifejlesztése, mind elméleti mint gyakorlati szempontból, a modern bioszervetlen kémia egyik legfontosabb kutatási területe. Korábbi, metallopeptidekre alapozott, biomimetikus kutatásaink folytatásaként, főként tren (trisz(aminoetil)amin) és tach (cisz,cisz(1,3,5-triamino)ciklohexán) alapú tripodális ligandumok fémkomplexeit vizsgáljuk ilyen célból. E vegyületeknek számos előnye lehet a lineáris ligandumokkal szemben, pl. a megnövekedett kelát-hatás és a tripodális platform pre-organizált szerkezete jelentősen növelheti a fémionaffinitást. Ugyanakkor az ilyen tripodális platformok megfelelő szubsztituálása révén további funkciók kiépítése is lehetővé válik: pl. beépíthetőek olyan molekularészek melyek elősegítik a szubsztrát megkötését, vagy annak aktiválását (pl. sav/bázis katalízis révén). A többfogú ’lábak’ kialakítása további fémion(ok) megkötődését is lehetővé teszik, viszonylag rövid fémion-fémion távolságok kialakulása mellett, ami lehetőséget teremt a fémionok kooperációjára a katalitikus ciklusban. További lehetőség a katalitikus fémion megkötése alloszterikus kontroll révén, pl. az elsőként megkötődő fémion egy jóval merevebb szerkezetű, és így nagyobb fémion affinitású katalitikus fémkötő-hely kialakulását eredményezheti. Munkánk célja fenti előnyös sajátságok kihasználása révén, a gyakorlatban is felhasználható, hatékony, hidrolitikus és/vagy redoxi folyamatokat katalizálni képes biomimetikus rendszerek kifejlesztése. Együttműködő partnerek: University of Lorrain (France), Montana State University (USA)
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek
- 4H+ -L
3 NH N
L=
NH
HN NH N N
NH
NH
CuL
Cu3H-4L2
Cu3H-2L2 (minor species) -H+ Cu3H-3L2 CuIICuIICuII
H2dtbc -2H+
CuIICuII(dtbc)CuII
-H+
+ H2dtbc, O2
-1
kobs (s )
0,002
Cu3H-4L2 (inactive)
CuIICuI(dtbq)CuI
- dtbq 0,001
0,000 4
5
6
7
8
pH
Az allosztérikus kontroll révén kialakuló Cu3H-4L2 hárommagvú komplex meglepően alacsony pHoptimummal működő, nagy hatékonyságú pirokatechin-oxidáz modell
MTA-SZTE Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport Mesterséges metalloproteinek és enzimek VÁLOGATOTT KÖZLEMÉNYEK A. Jancsó, D. Szunyogh, F.H. Larsen, P.W. Thulstrup, N. Johan Christensen, B. Gyurcsik, L. Hemmingsen: Towards the role of metal ions in the structural variability of proteins:CdII speciation of a metal ion binding loop motif. Metallomics 3 (2011) 1331. D. Szunyogh, B. Gyurcsik, F.H. Larsen, M. Stachura, P.W. Thulstrup, L. Hemmingsen, A. Jancsó: ZnII and HgII binding to a designed peptide that accommodates different coordination geometries. Dalton Trans. 44 (2015) 12576. A. Czene, E. Tóth, E. Németh, H. Otten, J.-C.N. Poulsen, H.E.M. Christensen, L. Rulíšek, K. Nagata, S. Larsen, B. Gyurcsik: A new insight into the zinc-dependent DNA-cleavage by the colicin E7 nuclease: a crystallographic and computational study. Metallomics 6 (2014) 2090. E. Németh, T. Körtvélyesi, M. Kožíšek, P.W. Thulstrup, H.E.M. Christensen, M.N. Asaka, K. Nagata, B. Gyurcsik: Substrate binding activates the designed triple mutant of the colicin E7 metallonuclease. J. Biol. Inorg. Chem. 19 (2014) 1295. D. Árus, N.V. Nagy, Á. Dancs, A. Jancsó, R. Berkecz, T. Gajda, A minimalist chemical model of matrix metalloproteinases — Can small peptides mimic the more rigid metal binding sites of proteins?, J. Inorg. Biochem. 2013, 126, 61-69. D. Árus, Á. Dancs, N.V. Nagy, T. Gajda, A comparative study on the possible zinc binding sites of the human ZnT3 zinc transporter protein, Dalton Trans., 2013, 12031-12040.
ELÉRHETŐSÉG Prof. Dr. Kiss Tamás egyetemi tanár, a kutatócsoport vezetője e-mail:
[email protected] telefon: (+36) 62 544-337 Dr. Jancsó Attila (
[email protected]) Dr. Gyurcsik Béla (
[email protected]) Dr. Gajda Tamás (
[email protected]) http://www2.sci.u-szeged.hu/bioinorg/
