Menu

Laboratoř strukturní chemie

Laboratoř strukturní chemie se zabývá strukturními studiemi membránových a ve vodě rozpustných makromolekulárních komplexů především s použitím metod rentgenové difrakce. Pomocí této metody se dají určit struktury proteinů na atomárním rozlišení. Poznání struktur proteinů je klíčové při zjišťování a popisu detailního mechanismu biologických procesů nebo vývoji terapeutik.


Popis laboratoře:

Laboratoř je rozdělena na tři funkční celky a jednu školící část:

MolBiol - část molekulární biologie, ve které se izolují a purifikují zkoumané proteiny,

 XtallExp - část proteinové krystalizace a krystalografie, kde se provádí krystalizace proteinů s cílem připravit difraktující monokrystaly, které jsou následně měřeny na zdrojích synchrotronového záření a difrakční data softwarově zpracována,

 MolStruct – část molekulárního modelování a strukturních studií, ve které se provádějí následné molekulárně dynamické a strukturní studie.

 XtallTraining - laboratoř dále nabízí ostatním pracovníkům, kteří mají zájem o krystalizaci vlastních proteinů, možnost jejich krystalizace buď přímo našimi zkušenými spolupracovníky, nebo samostatně pod jejich vedením s možností kompletního vyřešení struktury v naší laboratoři.  

Klíčové aktivity:

  • základní výzkum v oblasti izolace a purifikace proteinů a jejich krystalizace
  • řešení struktur z difrakčních dat a strukturní studie zkoumaných proteinů
  • vývoj a testování alternativních a pokročilých krystalizačních technik
  • úzká spolupráce s partnerskými laboratořemi v ČR i zahraničí
  • zaškolení a poskytování servisních služeb v rámci krystalizačních studií proteinů
  • výuka předmětů Anorganická chemie 1 (UCH/100), Anorganická chemie 2 (UCH/101), Organická chemie pro biology (UCH/032) a Biokrystalizační metody (UCH/253)
  • organizace mezinárodního kurzu pod záštitou Federace Evropských Biochemických Společností: FEBS-INSTRUCT practical crystallization course „Advanced methods in macromolecular crystallization“

Hlavní projekty

Structure-functional Relationships of Haloalkane Dehalogenases

Halogenalkan dehalogenasy (EC 3.8.1.5) jsou mikrobiální enzymy vykazující katalytickou aktivitu pro hydrolytickou konverzi xenobiotik a toxických halogenovaných alifatických sloučenin na příslušné alkoholy. Do dnešní doby byly vyřešeny pouze čtyři terciární struktury těchto enzymů pomocí X-ray difrakční analýzy. V rámci projektu budou struktury několika nových námi úspěšně vykrystalizovaných enzymů vyřešeny a deponovány v Proteinové databázi. Dále budou krystalizovány a strukturně charakterizovány nově klonované a biochemicky charakterizované enzymy. I když je molekulární struktura publikovaných enzymů známá, některé důležité detaily v reakčním mechanizmu nejsou doposud objasněny.  Proto paralelně k X-ray difrakci bude použita metoda neutronové difrakce s cílem popsat úlohu vodíků z vody a protonovaných aminokyselinových zbytků v aktivním místě a přístupnost tunelů v okolí aktivního místa. Strukturní data budou provázána s biochemickými a povedou k detailnějšímu objasnění strukturně-funkčních vztahů halogenalkan dehalogenáz a enzymů ze super-rodiny alfa/beta-hydroláz.

Crystallization and structural studies of higher plants membrane protein complex

Fotosyntéza je biochemický proces, při kterém dochází k přeměně sluneční energie na energii chemickou využívanou pro biosyntézu organických buněčných materiálů. K porozumění procesu fotosyntézy je důležité poznat detailní popis struktury fotosystému II (PSII) a jeho jednotlivých podjednotek.
V oblasti molekulární biologie rostlin je výzkum zaměřen také na pochopení mechanizmu uvolnění kyslíku v procesu fotosyntézy, který probíhá v tzv. komplexu vyvíjejícím kyslík. Struktura tohoto komplexu se v jednotlivých organizmech odlišuje.
V dnešní době jsou známy 3D krystalové struktury pouze u cyanobakteriálního PSII, který se od rostlinného PSII liší složením některých proteinových podjednotek, komplex vyvíjející kyslík zde nevykazuje strukturní homologii. Náš výzkum je zaměřen na strukturní studie membránového komplexu PSII izolovaného z vyšších rostlin. Poznání struktury rostlinného PSII umožní pochopení jedinečnosti mechanizmu procesu fotosyntézy u odlišných typů organizmů.

Současné a významné publikace

2014

1) Dynamics and hydration explain failed functional transformation in dehalogenase design in Nature Chemical Biology (published online 13 April 2014), IF 12.948

 Reference: Jan Sykora, Jan Brezovsky, Tana Koudelakova, Maryna Lahoda, Andrea Fortova, Tatsiana Chernovets, Radka Chaloupkova, Veronika Stepankova, Zbynek Prokop, Ivana Kuta Smatanova, Martin Hof, Jiri Damborsky: Dynamics and hydration explain failed functional transformation in dehalogenase design, Nature Chemical Biology (2014), Received 04 December 2013, Published online 13 April 2014, doi:10.1038/nchembio.1502

 Abstrakt

Hlavní důraz v publikaci je kladen na důležitost dynamiky a hydratace v enzymové katalýze a design proteinu za použití transplantace aktivního místa z halogenalakandehalogenasy s vysokou enantioselektivitou do neselektivní dehalogenasy. Proteinová krystalografie v tomto případě potvrdila, že geometrie aktivního místa v redesignované dehalogenase odpovídá záměru přičemž enantioselektivita enzymu zůstává nízká. Fluorescenční studie a počítačové simulace poukázaly na fakt, že dynamika a hydratace tunelů se liší v závislosti na redesignované a cílové dehalogenasach.

2) Crystallographic analysis of 1,2,3–trichloropropane biodegradation by haloalkane dehalogenase DhaA31 in Acta Crystallographica Setion D: Biological Crystallography (published February 2014), IF 14.1

 Reference: Maryna Lahoda, Jeroen R. Mesters, Alena Stsiapanava, Radka Chaloupkova, Michal Kuty, Jiri Damborsky and Ivana Kuta Smatanova: Crystallographic analysis of 1,2,3–trichloropropane biodegradation by haloalkane dehalogenase DhaA31. Acta Cryst D70, 209-2017 (2014), doi:10.1107/S1399004713026254

 Abstrakt

Krystaly mutantní varianty halogenalkandehalogenasy DhaA31 izolované z  Rhodococcus rhodochrous a zmáčené v 1,2,3-trichloropropanu při laboratorní teplotě a pH 6.5 poskytly informace o komplexu protein-substrát. Porovnání struktury DhaA31 bez substrátu s komplexem DhA31 se zachyceným substrátem umožnilo popsat dvě alternativní konformace nukleofilního aminokyselinového zbytku Asp106 a možnou cestu pro odcházející halogenidový ion, zatímco porovnáním DhaA31 s divokým typem DhaA byla odhalena redukovaná velikost a schopnost přístupu solventu do aktivního místa.

Ostatní významné publikace do roku 2013

 Název

 IF

I. Kishko, J. Carey, D. Reha, J. Brynda, R. Winkler, B. Harish, R. Guerra, O. Ettrichova, Z. Kukacka, O. Sheryemyetyeva, P. Novak, M. Kuty, I. Kuta Smatanova, R. Ettrich and M. Lapkouski: 1.2 Å resolution crystal structure of Escherichia coli WrbA holoprotein. Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography, Volume 69, Part 9, pages 1748-1757 (2013). doi:10.1107/S0907444913017162

 

14.103

Koudelakova, T., Chaloupkova, R., Brezovsky, J., Prokop, Z., Sebestova, E., Hesseler, M., Khabiri, M., Plevaka, M., Kulik, D., Kuta Smatanova, I., Rezacova, P., Ettrich, R., Bornscheuer, U. T., Damborsky, J., 2012: Engineering Enzyme Stability and Resistance to Organic Co-solvent by Access Tunnel Modification. Angewandte Chemie International Edition 52, 1959-1963 (2013),  DOI: 10.1002/anie.201206708

 

13.734

Kopecky V Jr, Kohoutova J, Lapkouski M, Hofbauerova K, Sovova Z, Ettrichova, O., Gonzales-Perez, S., Dulebo, A., Kaftan, D., Kuta Smatanova, I., Revuelta, J.L., Arellano, J.B., Carey, J., Ettrich R.: Raman Spectroscopy Adds Complementary Detail to the High-Resolution X-Ray Crystal Structure of Photosynthetic PsbP from Spinacia oleracea. PLoS ONE 7(10): e46694 (2012), doi:10.1371/journal.pone.0046694

 

4.09

Ivana Nemcovicova and Ivana Kuta Smatanova: Chapter 11: Alternative Crystallization Technique: Cross Influence Procedure (CIP). In the Crystallization and Materials Science of Modern Artificial and Natural Crystals, Pages 249-276, Edited by: Elena Borisenko, ISBN 978-953-307-608-9, Publisher: InTech (January 2012)

kapitola v knize, přes 3000 stažení

Prudnikova, Tatyana; Chaloupkova, Radka; Sato, Yukari; Nagata, Yuji; Degtjarik, Oksana; Kuty, Michal,; Rezacova, Pavlina; Damborsky, Jiri; Kuta Smatanova, Ivana: Development of a Crystallization Protocol for the  DbeA1 Variant of Novel Haloalkane Dehalogenase from Bradyrhizobium elkani USDA94. Crystal Growth and Design 11, 516-519 (2011). DOI: 10.1021/cg1013363

 

4.689

Stsiapanava, A., Dohnalek, J.,  Gavira, J. A., Kuty, M., Koudelakova, T., Damborsky, J. and Kuta Smatanova, I.: Atomic resolution studies of haloalkane dehalogenases DhaA04, DhaA14 and DhaA15 with engineered access tunnels. Acta Cryst D66, 962-969 (2010),  DOI: 10.1107/S09074449100027101

 

14.103

T. Prudnikova, J. A. Gavira, P. Řezáčová, E. Pineda Molina, I. Hunalová, E. Sviridova, V. Shmidt, J. Kohoutová, M. Kutý, D. Kaftan, F. Vácha, J. M. García-Ruiz and I. Kutá Smatanová: Towards the crystallization of photosystem II core complex from Pisum sativum L. Cryst. Growth Des. 10 (8) 3391-3396 (2010). DOI: 10.1021/cg901593x

 

4.689

Martin Klvana; Martina Pavlova; Tana Koudelakova; Radka Chaloupkova; Pavel Dvorak; Alena Stsiapanava; Michal Kuty; Ivana Kuta-Smatanova; Jan Dohnalek; Petr Kulhanek; Rebecca C. Wade; Jiri Damborsky: Pathways and Mechanisms for Product Release in the Engineered Haloalkane Dehalogenases Explored using Classical and Random Acceleration Molecular Dynamics Simulations. J. Mol. Biol. 392, 1339-1356 (2009), doi:10.1016/j.jmb.2009.06.076

 

4,146

Julie Wolfova, Ivana Kuta Smatanova, Jiri Brynda, Jeroen R. Mesters, Mikalai Lapkouski, Michal Kuty, Antonino Natalello, Neal Chatterjee, Sy-Yeu Chern, Erin Ebbel, Angela Ricci, Rita Grandori, Rüdiger Ettrich, and Jannette Carey: Structural organization of WrbA in apo- and holo-protein crystals. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics 1794, 1288-1298 (2009), doi: 10.1016/j.bbapap.2009.08.001. (The cover picture of this issue was selected from our paper)

 

2,233

Jaroslava Kohoutová, Vladimír Kopecký Jr., Mikalai Lapkouski, Kateřina Hofbauerová, Žofie Sovová, Sergio González-Pérezc, Ivana Kutá Smatanová, José L. Revuelta, Juan B. Arellano, Rudiger Ettrich: Structural analysis of extrinsic PsbP protein of PSII from Spinacea oleracea and its interaction with the oxygen-evolving complex. FEBS Journal 276, 146-147 (2009).

 

3,139

Mikalai Lapkouski, Santosh Panjikar, Pavel Janscak, Ivana Kuta Smatanova, Jannette Carey, Rudiger Ettrich, Eva Csefalvay: Structure of the motor subunit and translocation model for EcoR124I restriction-modification complex. Nature Structural & Molecular Biology 16(1), 94-5 (2009). Epub 2008 Dec 14. doi: 10.1038/nsmb.1523 

 

11,085

Jannette Carey, Jiří Brynda, Julie Wolfová, Rita Grandori, Tobias Gustavsson, Rudiger H. Ettrich and Ivana Kutá Smatanová: WrbA bridges bacterial flavodoxins and eukaryotic NAD(P)H:quinone oxidoreductases. Protein Science  16, 10, 2301-2305 (2007). (The cover picture of this issue was selected from our paper)

 

3,546

Aaron J. Oakley, Zbynek Prokop, Michal Bohac, Jan Kmunicek, Tomas Jedlicka, Marta Monincova, Ivana Kuta Smatanova, Yuji Nagata, Jiri Damborsky and Matthew C.J. Wilce: Exploring the structure and activity of Haloalkane Dehalogenase from Sphingomonas paucimobilis UT26: Evidence for product and water mediated inhibition. Biochemistry 41, 4847-4855 (2002).

 

4,064

Marek, J., Vevodova, J., Kuta Smatanova, I., Nagata, J., Svensson, L.A, Newman, J., Takagi, M. and Damborsky, J.: Crystal Structure of the Haloalkane Dehalogenase from Sphingomonas paucimobilis UT26. Biochemistry 39, 14082-14086 (2000)

 

4,221