В МФТИ научились моделировать поведение клеточных мембран для предсказания влияния лекарств и ядов
Ученые из МФТИ 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. Исследование опубликовано в Journal of Chemical Theory and Information.
«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 лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем, созданной в Центре исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ в рамках проекта 5топ100.
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. 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 приближённо. 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 её. Поэтому изучение поведения липидов с точностью до отдельных атомов поможет “не вставая из-за компьютера” 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 механизмов старения, механизм которого, по некоторым предположениям, связан с изменением структуры мембран клеток.
Структура молекулы DOPC, изучаемой авторами. Слева — химическая структура молекулы, справа — возможные положения молекулы в пространстве. Изображение любезно предоставлено авторами исследования.
Ознакомиться с работами ученых:
Principal Component Analysis of Lipid Molecule Conformational Changes in Molecular Dynamics Simulations
Pavel Buslaev, Valentin Gordeliy, Sergei Grudinin, and Ivan Gushchin.
J. Chem. Theory Comput., 2016, 12 (3), pp 1019–1028
DOI: 10.1021/acs.jctc.5b01106
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jctc.5b01106