Projekti

Mikrovalovna kataliza in kemijska karcinogeneza

Holder: dr. Urban Bren, UM FKKT

PARNTER: prof. dr. Metka Filipič

Code: J1-5448

Duration: 1. 8. 2013 - 31. 7. 2016

Povzetek

Predlagani raziskovalni projekt je osredotočen na varno prehrano v kontekstu kemijskih karcinogenov, ki so pogosto prisotni v surovi ali termično obdelani hrani. Za razjasnitev fizikalne osnove visoke reaktivnosti in z njo povezane kancerogenosti kemijskih karcinogenov bomo uporabili vrsto simulacijskih tehnik. Kataliza skozi preorganizirano elektrostatiko polielektrolitskega okolja DNA pa predstavlja verjetno razlago. Hkrati nameravamo s prvih principov simulirati reakcije med kemijskimi karcinogeni ter polifenoli, ki so kot naravni lovilci kemijskih karcinogenov v znatnih količinah prisotni v sadju. Če želimo preprečiti poškodbo DNA, mora namreč kemijski karcinogen z lovilcem reagirati hitreje kot z DNA. Ker aktivacijska prosta energija predstavlja direktno merilo reaktivnosti, mora reakcija kemijskega karcinogena z lovilcem imeti nižjo aktivacijsko pregrado od konkurenčne reakcije z DNA. Dolgoročni cilj je najti dober naravni lovilec kemijskih karcinogenov, ki bi po nadaljnji optimizaciji služil kot prehranski dodatek. Prepričani smo, da bodo tovrstne raziskave znatno pripomogle k preprečevanju raka – zelo pomembnemu področju, ki pa je dandanašnji žal vse prepogosto spregledano. Ker uporabo mikrovalovnega segrevanja v znanstveni literaturi spremljajo številna poročila o pospešitvi kemijskih reakcij (mikrovalovni katalizi), nas nadalje skrbi možnost povečane reaktivnosti kemijskih karcinogenov. Na to pereče vprašanje je potreben čimprejšnji odgovor, saj mikrovalovno sevanje, ki ga med drugim oddajajo mobilni telefoni, bazne postaje, radarji, sateliti in mikrovalovne pečice, predstavlja znaten del elektromagnetnega smoga. Zatorej bomo reakcije med kemijskimi karcinogeni ter DNA obravnavali v kontekstu našega nedavno-predlaganega fizikalnega mehanizma mikrovalovne katalize osnovanega na rotacijsko vzbujenih polarnih reakcijskih zvrsteh. V kolikor se bo izkazalo, da mikrovalovi katalizirajo alkilacijo DNA s kemijskimi karcinogeni, si ni težko predstavljati patoloških posledic, ki bi vodile do razvoja raka. Posledično bi morali ponovno pretehtati veljavne varnostne standarde za mikrovalovno opremo, saj so le ti osnovani zgolj na ravnotežnem segrevanju tkiv. Nenazadnje, mikrovalovno valovanje dokazano pospešuje zvijanje proteinov in njihovo agregacijo – procesa, ki ju v splošnem povezujemo z Alzheimerjevo, Parkinsonovo, Huntingtonovo in Creutzfeld-Jakobovo boleznijo ter z nekaterimi vrstami raka. Rotacijsko vzbujene polarne molekule vode ponovno ponujajo verjetno razlago, saj bi znatno ošibile omrežje vodikovih vezi okoli obravnavanega proteina in posledično oslabile njegovo hidratacijo. Tak protein bi bil nato prisiljen izgubljene interakcije nadomestiti z močnejšim interagiranjem s samim seboj in s sosednjimi proteini, kar bi ojačilo škodljive procese zvijanja proteinov in njihove agregacije. Postavljeno hipotezo bomo preverili z uporabo simulacij molekulske dinamike v kombinaciji z domačim simplektičnim integratorjem SISM, ki je zmožen učinkovitega razklopa rotacijskih, translacijskih in vibracijskih prostostnih stopenj molekul vode.

Pomen za razvoj znanosti

Predlagani raziskovalni projekt se ukvarja z zdravstvenimi implikacijami (rakom) ter varnostjo živil (v kontekstu kemijskih karcinogenov pogosto prisotnih v surovi ali termično obdelani hrani), ki predstavljata vsebinski prioriteti Resolucije o raziskovalnem in razvojnem programu Republike Slovenije. Naš cilj je s prevzemom že uveljavljenih simulacijskih metod iz računalniške encimologije ter njihovo uporabo za reševanje perečih problemov povezanih s toksikologijo in karcinogenezo razvijati novo polje raziskav imenovano računalniška karcinogeneza. Le to je navkljub svoji relevantnosti v Sloveniji žal neobstoječe, v Svetu pa precej prazno. Tako bi nujno potrebovalo organizacijo mednarodnega znanstvenega srečanja ali ustanovitev nove znanstvene revije. Hkrati nameravamo pojasniti fizikalni mehanizem mikrovalovne katalize, ki navkljub številnim špekulacijam v znanstveni literaturi še ni zadovoljivo pojasnjen. Rezultati našega dela bodo objavljeni v vrhunskih znanstvenih revijah ter predstavljeni na mednarodnih znanstvenih konferencah. Zaradi večjega dosega se bomo poslužili tudi objav v revijah prostega dostopa. Za konec bi radi poudarili, da sta bila tako nosilec kot njegov projekt Chemical Carcinogenesis – A Computational Approach ocenjena nad kvalitetnim pragom prve faze zahtevnega European Research Council 2011 Starting Grant Call, nosilec pa je bil v svetovni konkurenci izbran kot eden od trinajstih najboljših mladih znanstvenikov, ki delujejo na področju raziskav planetarnih nujnosti, ter prejel prestižno Best Fellow Prize of the World Federation of Scientists.