Гибкий метод подгонки превращает изображения скоростной атомно-силовой микроскопии в точные модели движения белков

Скоростная атомно-силовая микроскопия (HS-AFM) — единственная экспериментальная техника, позволяющая напрямую наблюдать белки в динамике. Однако, как метод сканирования поверхности с ограниченным пространственным разрешением, HS-AFM неизбежно предоставляет недостаточно информации для детального атомарного понимания биомолекулярной функции. Несмотря на предыдущие попытки вычислительного моделирования преодолеть эти ограничения, успешные применения для извлечения атомарной информации из измерений практически отсутствовали.

Исследовательская группа под руководством Хольгера Флексига (WPI-NanoLSI, Университет Канадзавы) и Флоренс Тамы (WPI-ITbM, Высшая школа науки Университета Нагои и R-CCS) представляет вычислительный фреймворк и его программную реализацию, позволяющие выводить 3D атомарные модели динамических конформаций белка из данных топографической визуализации AFM.

Учёные используют новый вычислительно эффективный метод гибкой подгонки, разработанный группой Тамы, который моделирует конформационную динамику известной статической структуры белка для идентификации атомарных моделей, наилучшим образом соответствующих экспериментальным изображениям AFM.

Они сначала внедрили этот метод в хорошо зарекомендовавшую себя программную платформу BioAFMviewer, поддерживаемую группой Флексига, чтобы обеспечить прямой рабочий процесс для применения к данным измерений AFM. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.

Анализ данных HS-AFM для различных белков, полученных от экспериментальных коллабораторов, показывает, что гибкая подгонка может выводить атомарные модели, включая крупноамплитудные движения, что значительно улучшает понимание функциональной конформационной динамики из измерений с ограниченным разрешением.

Вычислительная эффективность гибкой подгонки в рамках BioAFMviewer даже позволяет применять метод к крупным белковым комплексам, как авторы демонстрируют на примере актиновой нити массой 4 мегадальтона, состоящей примерно из 280 000 атомов. Примечательным достижением является демонстрация атомарного молекулярного фильма о динамике белка, включающего функциональные конформационные переходы, восстановленного из данных топографического фильма HS-AFM.

Уникальная программная реализация вычислительно эффективной гибкой подгонки, интегрирующая доступные структурные данные и молекулярное моделирование с экспериментами, открывает возможности для широкого спектра применений, чтобы полностью раскрыть объяснительную силу HS-AFM за счёт масштабного анализа данных визуализации отдельных молекул для лучшего понимания биологических процессов в наномасштабе.

Метод NMFF-AFM и программное обеспечение BioAFMviewer

Гибкая подгонка — это вычислительный метод, который моделирует конформационные движения статической структуры белка, чтобы динамически направлять её в конформации, наилучшим образом представляющие экспериментальные данные. Метод нормальной моды гибкой подгонки для AFM (NMFF-AFM), недавно разработанный группой Тамы, использует вычислительно эффективный итеративный анализ нормальных мод для моделирования крупноамплитудных конформационных изменений, что позволяет идентифицировать динамические атомарные модели, наилучшим образом представляющие измеренные топографические изображения AFM.

Проект BioAFMviewer был инициирован Хольгером Флексигом в 2020 году при участии программиста Ромена Амьо для создания уникальной программной платформы, интегрирующей огромный массив доступных данных о высокоразрешающей структуре биомолекул и моделировании для анализа измерений AFM с ограниченным разрешением.

Интегрированный молекулярный вьюер для визуализации биомолекул, соответствующий симулятор AFM и несколько наборов инструментов для анализа предоставляют удобный интерактивный интерфейс для анализа экспериментальных данных AFM. Производительность интегрированного метода гибкой подгонки NMFF-AFM значительно повышена за счёт параллельных вычислений, выполняемых на графических картах.

Программное обеспечение BioAFMviewer доступно для бесплатной загрузки с сайта проекта www.bioafmviewer.com.