Компьютерное моделирование помогло исследовать липиды

Результаты опубликованы в журнале Biochimica et Biophysica Acta – Biomembranes. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Каждая клетка отделена от внешнего мира мембраной, которая отвечает за множество жизненно важных функций. Мембрана образована белками, встроенными в гибкий липидный слой. При этом липиды сильно влияют на функции отдельных белков и мембраны в целом.

Для исследования механизмов работы белков существует множество экспериментальных подходов. Однако этим методам не хватает либо временного, либо пространственного разрешения для изучения липидов, не менее важных составляющих мембран. На помощь приходят компьютерные методы, а именно моделирование методом молекулярной динамики.

Суть метода очень проста: вычислить силы, действующие на каждый атом, решить для каждого атома уравнения движения Ньютона и повторить эту процедуру столько раз, сколько нужно. Такой подход позволяет изучать разнообразные процессы на пикосекундных временных и атомарных пространственных разрешениях. Взаимодействия атомов описываются с помощью уравнений квантовой механики, однако решить их для больших систем не представляется возможным.

Поэтому при моделировании методом молекулярной динамики ученые упрощают реальный потенциал взаимодействия. Параметры таких упрощенных взаимодействий называют силовыми полями. Их, естественно, необходимо валидировать — то есть сравнить экспериментальные и вычислительные результаты. При хорошем воспроизведении измеряемых величин силовому полю можно доверять.

Мембранные силовые поля тоже проходят такую проверку. Экспериментальные методы, используемые для изучения липидных систем, в настоящее время позволяют узнавать в основном усредненные по большому количеству молекул величины. Чтобы можно было сравнивать результаты моделирования с экспериментом, компьютерные методы анализа мембран также концентрируются на аналогичных усредненных характеристиках.

Сотрудники Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ Павел Буслаев, Халид Мустафин и Иван Гущин разработали программный пакет PCAlipids (распространяется бесплатно и доступен по ссылке), который анализирует структуру отдельных молекул липидов в конкретный момент и описывает изменения конформаций во времени. Для этого используется метод главных компонент, который позволяет выделить наиболее значимые элементы в данных.

«PCAlipids — это программа, которая позволяет описать движения отдельной молекулы. В нашей работе мы концентрировались на липидах, однако метод может быть применен и к другим молекулам. Сейчас, к сожалению, не существует возможности измерить экспериментально величины, которые анализирует PCAlipids. Однако мы предложили несколько возможных экспериментов, которые можно было бы сделать. Мы надеемся, что это послужит толчком к развитию новой экспериментальной области.

Появление подобных экспериментальных данных позволит сравнить вычисленные с помощью компьютерного моделирования липидов величины с реальной жизнью и, таким образом, улучшить параметры моделирования», — поясняет Павел Буслаев, научный сотрудник лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ.

По сути, PCAlipids сначала ищет группы атомов, двигающихся вместе. Самое амплитудное и включающее наибольшее число атомов липида коллективное движение определяет первый базисный вектор новой системы координат. Второму базисному вектору соответствует следующее по значимости коллективное движение и так далее.

Дальнейший анализ происходит уже в новом базисе и позволяет оценить, насколько сильно различные параметры моделируемой системы влияют на молекулы липидов. Так, например, можно добавить к липидам некоторое вещество. Если при этом изменятся характеристики первых, наиболее значимых коллективных движений, можно сделать вывод о том, что это вещество оказывает сильный эффект на мембрану, в противном случае эффект будет слабым.

Изучая характер изменений коллективных движений можно понять механизм воздействия вещества на мембрану. Используя разработанный скрипт, ученые исследовали, как температура, концентрация холестерина и кривизна влияют на отдельные липиды. Давно было известно, что изменения в этих параметрах существенно меняют поведение мембран в целом. Однако как реагируют отдельные молекулы на эти изменения, было неизвестно.

При понижении температуры мембрана испытывает фазовый переход: липиды заметно упорядочиваются. Проанализировав с помощью PCAlipids этот процесс замерзания, удалось отследить начало фазового перехода, а также количественно описать, как меняется набор возможных форм липидов при плавном приближении к нему. Оказалось, что вплоть до самого перехода этот набор остается неизменным, но скорость переходов от одной формы к другой заметно уменьшается.

Холестерин, одна из важнейших составляющих мембран, способствует упорядочению липидов. С помощью PCAlipids было показано, что значимые коллективные движения становятся более компактными при добавлении в систему холестерина. При этом удалось выяснить механизм, с помощью которого холестерин способствует упорядочению липидов.

Третий фактор, влияние которого на липиды исследовалось в работе, — кривизна. Мембраны очень подвижны, что важно для их функциональности, поэтому они постоянно изгибаются. При этом один слой мембраны оказывается выпуклым, а второй, напротив, вогнутым. Оказалось, что набор возможных форм липидов практически одинаков в выпуклых и вогнутых слоях, а вот скорость изменения формы заметно выше для выпуклого слоя. 

Таким образом, в работе было показано, что PCAlipids может быть применен для изучения структур липидных систем. При этом он позволяет обнаружить широко известные факты, но также дает возможность увидеть детали, которые другие методы упускают из виду. Так что использование разработанного в МФТИ программного пакета позволит детально разобраться в механизмах мембранных процессов. 

ФизТех

405 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше