Клеточные мембраны in silico
Моделирование клеточных мембран поможет предсказать действие лекарств и ядов
Ученые создали метод моделирования, способный с высокой точностью и относительно быстро описывать «ответные реакции» клеточных мембран на молекулы лекарств и токсинов, что позволит заранее, без всяких экспериментов просчитывать влияние препаратов на клетки, сообщается в пресс-релизе МФТИ.
«Особенность нашего метода в том, что он обеспечивает полное численное описание изменений в молекуле. Мы можем отслеживать положение сразу всех атомов, при этом каждому варианту структуры присваивается значение, которое можно использовать для статистического анализа», – говорит ведущий автор исследования Иван Гущин, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем, созданной в Центре исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Моделировать поведение биологических молекул крайне затруднительно, поскольку нужно описывать движение каждого ее атома – даже для небольшой молекулы из 54 атомов получится 156 наборов чисел. Огромные массивы информации, полученные в результате моделирования, сложно и долго обрабатывать и интерпретировать.
Группа под руководством Гущина нашла способ значительно упростить анализ результатов моделирования, при этом почти не потеряв в точности описания движения. Авторы исследования использовали для обработки исходящих данных метод главных компонент – способ обработки, который выделяет из данных наиболее существенные. Это в 10 раз сократило объем данных, а точность снизилась лишь на 10%. Метод был проверен на липидной молекуле DOPC (диолеоилфосфатидилхолин), хорошо изученной экспериментально.
Структура молекулы DOPC, изучаемой авторами. Слева – химическая структура молекулы, справа – возможные положения молекулы в пространстве. Изображение любезно предоставлено авторами исследования.
Для моделирования было выбрано восемь разных силовых полей – наборов параметров для описания взаимодействия всех атомов. Одни силовые поля описывают взаимодействия между атомами очень подробно, другие – грубо и приближенно. После этого к полученным данным авторы применяли метод главных компонент. Оказалось, что для описания движения молекулы из 54 атомов достаточно всего 14 «компонент», то есть совместных движений какой-то группы атомов в молекуле. Одна из компонент, к примеру, отвечает за движение двух «хвостов» у молекулы DOPC в разные стороны, наподобие ножниц.
Два варианта главных компонент движения молекулы. «Компактная» и «развернутая» структуры показаны красным и синим соответственно, промежуточные структуры – оттенками фиолетового. Изображение любезно предоставлено авторами исследования.
Из молекул липидов строится клеточная мембрана, а любые молекулы, чтобы подействовать на клетку, должны преодолеть ее. Поэтому изучение поведения липидов с точностью до отдельных атомов поможет предсказывать влияние лекарств, токсинов на клетки и организм в целом, а следовательно значительно ускорить поиск новых лекарственных веществ и испытания препаратов. Помимо этого моделирование может помочь в исследовании процессов старения, механизм которого, по некоторым предположениям, связан с изменением структуры мембран клеток.
Исследование опубликовано в Journal of Chemical Theory and Information (Buslaev et al., Principal Component Analysis of Lipid Molecule Conformational Changes in Molecular Dynamics Simulations).
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
26.04.2016