Elementarschrittdynamik der Ribonukleinsäurefaltung

Principal Investigator
Peter Schuster

Co-Investigator:

Support:

Jubiläumsfondsprojekt der Österreichischen Nationalbank
Project No. 7813

Begin: Oct. 1999

Abstract

Die Faltung von Ribonukleinsäure-(RNA)-Molekülen in (Sekundär)strukturen wird als eine zufällige Folge von Ereignissen modelliert, welche aus drei Klassen von Elementarschritten ausgewählt werden: Bilden, Lösen und Verschieben eines Strukturelements (Nukleotidbasenpaares). Auf der Basis nur dieser drei einfachen Prozesse wurde ein Algorithmus konzipiert und am Computer implementiert, welcher es gestattet die Ausbildung molekularer Strukturen zu verflogen und vorherzusagen. Es wird möglich, eine Reihe aktueller offener Fragen über diese Klasse von Biomolekülen zu untersuchen:

(i) das Erkennen von Molekülen, welche Strukturen leicht ausbilden können und daher als "gute Falter" klassifiziert werden,
(ii) die Erklärung der Ursache für das Auftreten von metastabilen Zuständen, welche nicht auf der Basis thermodynamischer Kriterien gebildet werden, und
(iii) die Aufklärung der Rolle der modifizierten Nukleotidbasen in den natürlichen Transfer-RNA-Molekülen, welche sowohl die thermodynamische Stabilitäterhöhen als auch den Faltungsprozeß beschleunigen.

Der gegenwärtige Algorithmus kann nur kleine Moleküle bis zu 150 Nukleotidbasen handhaben.

Die vorgeschlagenen Arbeiten bestehen aus einer Entwicklung eines neuen Algorithmus, welcher auch große Moleküle behandeln und auf Parallelrechnerneingesetzt werden kann, sowie die Ausarbeitung eines Optimierungsverfahrens auf der Basis eines Flußreaktors, welcher das Evolutionsprinzip von Variation und Selektion benutzt, um die für die Strukturbildung benötigten Zeiten möglichst kurz und den Anteil an korrekt gefalteten Molekülen möglichst hoch zu trimmen.

Beide Algorithmen sollen zur Behandlung folgender Probleme eingesetzt werden:

(i) zur Ermittlung der Strukturbildungseigenschaften von RNA-Molekülen mit zufälligen Sequenzen,
(ii) zur Untersuchung des Einflusses der natürlichen Synthese auf die Strukturen der RNA-Moleküle,
(iii) zur Aufklärung der Beziehung zwischen thermodynamischer Stabilität und Faltbarkeit von RNA-Molekülen,
(iv) zur Aufklärung der Kriterien, nach welchen die natürlichen Moleküle für ihre Funktionen optimiert wurden, und
(v) zur Ausarbeitung von Kriterien für rasche und effiziente Strukturbildung, welche vor allem für die biotechnologische Synthese neuer RNA-Moleküle von Bedeutung sind.

Peter Schuster <pks@tbi.univie.ac.at>
Last modified: Fri Jan 26 14:37:21 CET 2001