Программное обеспечение BioAFMviewer для моделирования атомно-силовой микроскопии биомолекул

Современная нанотехнология позволяет наблюдать за работой отдельных белков. С помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) можно быстро сканировать их поверхность и отслеживать функциональные движения, что важно для приложений во всех областях наук о жизни. Однако анализ и интерпретация экспериментальных данных остаются сложными из-за неидеального разрешения получаемых изображений или молекулярных фильмов. С другой стороны, известны высокоразрешающие статические структуры большинства белков, а их конформационную динамику можно вычислить в молекулярном моделировании. Этот огромный объём доступных данных даёт возможность лучше понять результаты сканирующих экспериментов с ограниченным разрешением.

Разработанное программное обеспечение предоставляет вычислительный пакет для достижения этой цели. BioAFMviewer вычислительно эмулирует АСМ-сканирование любой биомолекулярной структуры для генерации графических изображений, напоминающих результат АСМ-экспериментов. Это делает возможным сравнение всех доступных структурных данных и вычислительных молекулярных фильмов с результатами АСМ. BioAFMviewer имеет универсальный интерактивный интерфейс с богатой функциональностью. Интегрированная 3D-визуализация отображает молекулярную структуру, в то время как синхронизированное вычислительное сканирование с регулируемой геометрией формы острия и пространственным разрешением генерирует соответствующую симулированную АСМ-графику. Полученные результаты можно удобно экспортировать как изображения или фильмы.

Чтобы продемонстрировать большой потенциал моделированного АСМ-сканирования в поддержке анализа и интерпретации экспериментальных данных, авторы приводят несколько примеров применения к высокоскоростным АСМ-наблюдениям белков. Например, для эндонуклеазы CRISPR-associated protein 9 (Cas9), связанной с "генными ножницами", моделированное сканирование позволяет устранить неоднозначность в расположении доменов, наблюдаемом на изображении высокоскоростной АСМ, и прояснить их ориентацию относительно связанной нуклеотидной цепи. Авторы также демонстрируют, как BioAFMviewer может преобразовывать молекулярные фильмы белков, полученные, например, из молекулярного моделирования, в соответствующие симулированные АСМ-фильмы. Таким образом, возможны симулированные АСМ-эксперименты, и их можно сравнивать с фильмами, записанными в высокоскоростных АСМ-экспериментах, чтобы лучше понять наблюдаемую конформационную динамику с ограниченным разрешением.

BioAFMviewer имеет удобный интерфейс, и для его использования не требуется специальных знаний. Программное обеспечение уже используется группами АСМ по всему миру, и ожидается, что оно станет стандартной платформой для широкого сообщества экспериментаторов в области био-АСМ. Кроме того, оно также предоставляет интерфейс для исследователей из областей вычислительной биологии и биоинформатики для развития их междисциплинарного сотрудничества.

Пакет программного обеспечения BioAFMviewer в настоящее время доступен для операционной системы Windows 10. Бесплатная загрузка предоставляется на сайте проекта (www.bioafmviewer.com), где также будут доступны будущие обновления.

Проект программного обеспечения BioAFMviewer был инициирован Хольгером Флексигом, доцентом Института нано-наук о жизни в Университете Канадзавы (Япония), где проводятся ведущие в мире АСМ-эксперименты биологических материалов. Первый автор, Ромен Амьо, разработал программный пакет и продолжает работать над будущими приложениями. Кроме того, он также проводит высокоскоростные АСМ-эксперименты с белками в качестве постдокторанта в Университете Экс-Марсель (Франция).