Hoe simulaties de verborgen dans van moleculen blootleggen

Heb je je ooit afgevraagd hoe medicijnen in je lichaam hun doel bereiken of hoe zuurstof precies door ons zenuwstelsel beweegt? Dat zijn vragen die op het eerste gezicht onmogelijk lijken om te beantwoorden. Toch werpt het doctoraatsonderzoek van Wouter Vervust een nieuw licht op deze verborgen wereld dankzij geavanceerde computersimulaties.

"We kunnen biologische processen op atomaire schaal visualiseren, maar de tijdsschaal waarop ze zich afspelen vormt een enorme uitdaging," legt Vervust uit. Biologische interacties, zoals het loskomen van een medicijn uit een eiwit of het transport van zuurstof in myelinescheden rond zenuwcellen, zijn traag en complex. Met traditionele simulatiemethoden zijn die processen te langzaam om betrouwbaar te kwantificeren.

Om dat probleem aan te pakken, verbeterde Vervust zogenoemde "pad-sampling" technieken. Simpel gezegd zijn dit simulatiemethoden die niet alleen kijken naar waar moleculen zich bevinden, maar ook hoe ze van punt A naar punt B bewegen. "We focussen op de trajecten – de paden die moleculen volgen – en maken die zichtbaar op een statistisch betrouwbare manier," zegt hij.

Zijn onderzoek had twee grote pijlers. Enerzijds ontwikkelde hij verbeteringen aan de bestaande pad-sampling methodologieën. Zo introduceerde hij "Replica Exchange Partial Path Sampling", een techniek die efficiënter complexe paden kan berekenen. Anderzijds paste hij deze technieken toe om praktische biologische vragen te beantwoorden.

Een van de meest indrukwekkende toepassingen betreft het zuurstoftransport in myelinescheden rond zenuwcellen. Vervust ontdekte dat deze myelinescheden niet alleen isolatoren zijn, maar ook tijdelijke zuurstofreservoirs. "We hebben laten zien dat myeline zuurstof kan opslaan en gecontroleerd vrijlaten," legt hij uit. Dat is cruciaal voor onze hersencellen, die soms een plotse toename van zuurstof nodig hebben tijdens intense activiteit. Toch bleek er een limiet te zijn: na ongeveer 100 microseconden is extra zuurstof nodig vanuit het bloed.

Een andere toepassing richtte zich op het ontbinden van medicijnen. Hoe lang blijft een medicijnmolecule gebonden aan een eiwit, en wat gebeurt er precies tijdens dat proces? Vervust kon met zijn technieken de dissociatie van medicijnen, zoals imatinib (een kankerremmer), gedetailleerd simuleren.

Wat maakt dit onderzoek zo belangrijk? "Door deze paden te begrijpen, kunnen we betere medicijnen ontwikkelen die effectiever binden, of nieuwe therapieën bedenken voor zuurstoftekorten in het zenuwstelsel," besluit Vervust. Zijn werk geeft ons niet alleen inzicht in de moleculaire dans die zich binnenin ons afspeelt, maar biedt ook een belangrijke stap richting toepassingen in de geneeskunde.

Lees een meer gedetailleerde samenvatting of het volledige doctoraat

-

Titel doctoraat: Geavanceerde simulatietechnieken met behulp van moleculaire dynamica voor de kinetische analyse van biologische systemen

Promotor: An Ghysels

-

Editor: Jeroen Ongenae - Illustrator: Roger Van Hecke