Challenges of Modern Crystallography 1200-2SPEC372M

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