Ученые смоделировали «лучшую» воду для ДНК
Исследователи из МФТИ совместно с коллегами из Сколково и Вирджинии (США) сравнили модельное распределение натрия и калия в разных растворах вокруг ДНК с экспериментами. Моделирования с разными моделями воды повторяли разные экспериментальные данные лучше других. Модели воды отличаются взаимным расположением и величиной зарядов, иллюстрирующих молекулу воды. Полученные результаты помогут точнее моделировать поведение ДНК, в том числе для разработки возможных лекарств от рака.
Работа опубликована в журнале Journal of Chemical Theory and Computation. Клетка в течение своей жизни использует записанную в ДНК информацию для синтеза необходимых для жизни белков и РНК. В клетках животных и человека ДНК свернута в хромосомы, которые находятся в ядре, где концентрация калия значительно превышает концентрацию натрия. В то же время экспериментальные растворы, в которых содержится ДНК, обычно содержат хлорид натрия, что отличает их от природной среды хранения ДНК.
Это может повлиять на результаты экспериментов и отдалить их от реальности. В клетке ионы, окружающие ДНК, необходимы для стабилизации ее структуры. Обе нити ДНК несут на себе большой отрицательный заряд, из-за которого в отсутствие ионов и воды нити молекулы могут разъединиться. Экранирование заряда молекулами воды и ионами не позволяет нитям оттолкнуться друг от друга.
Взаимодействие нитей ДНК друг с другом регулируется распределением ионов вокруг ДНК. Также для правильного функционирования ДНК и РНК часто необходимо связывание иона натрия или калия в специфичном кармане между нуклеотидами. Например, структура из четырех нуклеотидов — G-квартет (рисунок 1) стабилизируется ионом калия в центре. G-квартет играет важную роль в развитии рака. Возможно, воздействие на него поможет приблизиться к излечению некоторых онкологических заболеваний.
Для исследования взаимодействий ионов с ДНК хорошо подходит моделирование методом молекулярной динамики. Оно позволяет вычислять зависимости координат атомов от времени. На скорости движения ионов и атомов ДНК влияют используемая в симуляции модель воды и параметры ионов. Для точного моделирования критически важно подобрать верные параметры составляющих системы.
Авторы сделали симуляции ДНК в растворах хлоридов натрия и калия с использованием четырех наиболее широко применяемых комбинаций моделей воды и ионов. Ученые вычислили зависимости концентрации ионов натрия и калия от расстояния до оси ДНК (рисунок 2) и сравнили их между собой. Также некоторые детали распределений удалось сравнить с имеющимися экспериментальными результатами.
Оказалось, что при использовании одной из моделей воды ионы калия связывались с ДНК в специфических сайтах гораздо лучше, чем в остальных симуляциях, что соответствует экспериментальным наблюдениям. Однако в симуляциях с этой моделью воды ионы натрия притягивались к ДНК в слишком больших количествах. Модель OPC (optimal point charge) с одним из наборов параметров ионов показала удовлетворительное связывание калия с ДНК и нужное количество сконденсированного на ДНК натрия. Она может быть использована как компромиссный вариант.
Telegram 
Дзен 
VK 
