Разгадана тайна «костей» клетки с помощью суперкомпьютеров

Тонкие гибкие белковые нити, называемые актиновыми филаментами, выполняют роль «костей» клеток эукариот (растений и животных), обеспечивая поддержку и движение. Они постоянно растут, сокращаются, связываются с другими структурами и ветвятся.

С помощью суперкомпьютерного моделирования удалось решить загадку полимеризации актиновых филаментов — процесса их сцепления в цепочки. Это фундаментальное исследование может найти применение в терапии для остановки распространения рака, создании самовосстанавливающихся материалов и других областях.

«Основные выводы нашей работы объясняют свойство актиновых филаментов, известное около 50 лет», — сказал Вильмош Жолнай, соавтор исследования, опубликованного в ноябре 2020 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Учёные десятилетиями знали, что один конец актинового филамента сильно отличается от другого, и эта поляризация необходима для его функционирования. Загадкой оставалось, как филаменты используют эту поляризацию для роста, сокращения и связывания.

«Один конец актинового филамента удлиняется намного, намного быстрее другого при физиологической концентрации актинового белка, — пояснил Жолнай. — Наше исследование показывает, что для различной кинетики полимеризации существует структурная основа».

«Актиновые филаменты придают клетке её форму и многие другие свойства», — добавил Грегори Фот, руководитель исследования. Когда клетка хочет двигаться вперёд, она полимеризует актин в определённом направлении. Эти филаменты затем толкают клеточную мембрану, позволяя клетке двигаться.

«Мы обнаружили, что на одном конце филамента (быстром) связь между актиновыми субъединицами очень непрочная, — объяснил Жолнай. — Это позволяет входящим актиновым мономерам быстро получить доступ к сайту связывания». Напротив, на медленном конце связи между субъединицами очень прочные, что блокирует способность мономера присоединиться.

Исследователи использовали суперкомпьютер Stampede2 (Техасский центр передовых вычислений) в рамках программы XSEDE (Extreme Science and Engineering Discovery Environment). Было проведено девять симуляций молекулярной динамики, каждая из примерно миллиона атомов, моделируемых в течение примерно микросекунды. Изучались три нуклеотидных состояния: ATP, ADP с гамма-фосфатом и ADP после высвобождения фосфата.

Симуляции выявили ключевое различие: различные равновесные конформации субъединиц на заострённом (barbed) и заострённом (pointed) концах, что привело к значимым различиям в контактах между соседними мономерами. На быстром конце между молекулами возникало разделение, тогда как на медленном конце связь была очень плотной.

Исследование может иметь широкое применение:

• Медицина: Понимание движения иммунных клеток (нейтрофилов) или процессов метастазирования рака может привести к новым методам лечения.
• Материаловедение: Уникальные свойства актина, сохраняющиеся у растений, животных и дрожжей, могут вдохновить создание новых биомиметических материалов. «Можно представить материал будущего, который залечивает себя, как человеческая ткань», — отметил Жолнай.

«Люди очень заинтересованы в биомиметических материалах, которые ведут себя подобно этим полимерам. Наша работа объясняет ключевую вещь — поляризацию актиновых филаментов», — заключил Фот.