3D-структуры биомолекул: «Словари» делают флуоресцентные данные доступными
Международная исследовательская группа под руководством Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) разработала стандартизированное описание данных, которое позволяет использовать результаты флуоресцентных измерений для структурного и динамического моделирования крупных биомолекул.
Впервые другие исследователи могут получить доступ к интегративным структурным моделям и данным об их динамике, основанным на флуоресценции, через базы данных. Это обеспечивает экспериментальные данные для обучения следующего поколения ИИ-инструментов для моделирования динамических структур.
Белки и нуклеиновые кислоты — центральные строительные блоки жизни. Их специфическая трёхмерная форма определяется конфигурацией и силами между составными частями (например, аминокислотами). Однако для понимания функции важно учитывать не только статическую структуру, но и количество различных структурных состояний и динамику перехода между ними.
Классические биофизические методы определения 3D-структур долгое время были сложны и трудоёмки. Для систематизации этой работы с 1971 года все такие структуры собираются в «Банке данных белков» (Protein Data Bank, PDB). Эти более 220 000 структур используются ИИ-инструментами, такими как «AlphaFold», в качестве обучающих данных.
Современные ИИ-системы хорошо предсказывают статические структуры биомолекул, но не могут предсказать их динамику из-за нехватки экспериментальных данных.
Мощным экспериментальным методом является флуоресцентная спектроскопия. В таких экспериментах интересующие части биомолекул маркируются малыми красителями, которые светятся при внешнем возбуждении, что позволяет определять их положение. Интегративные подходы комбинируют эти экспериментальные данные с вычислительными методами для достижения более высокого структурного разрешения и учёта динамики.
«Флуоресцентные эксперименты предоставляют детальную информацию, что делает их отличным источником данных для интегративного моделирования. Однако, чтобы полностью использовать это богатство информации, она должна быть сделана доступной и пригодной для использования широким научным сообществом», — подчёркивает первый автор статьи, доктор Кристиан Ханке.
В публикации представлено стандартизированное описание данных в виде трёх связанных «словарей», организованных в общую библиотеку.
«Этот организационный принцип с комбинированными словарями впервые позволяет исследователям хранить интегративные структурные модели на основе флуоресцентных данных вместе с кинетической информацией. Одновременно общие определения могут использоваться и другими методами для документирования динамических свойств биомолекул наряду с их структурой в базе данных», — говорит один из авторов-корреспондентов, профессор Клаус Зайдель.
Такой подход необходим, чтобы связать статические структурные модели с лежащим в их основе энергетическим ландшафтом — то есть с разницей энергий между различными трёхмерными конфигурациями биомолекулы.
«Эта информация позволяет разрабатывать и обучать следующее поколение ИИ-программ для предсказания динамических биомолекулярных структур. Здесь данные, полученные из флуоресцентных экспериментов о функционально значимой динамике, могут внести очень важный вклад», — заключает профессор Зайдель.