Новый подход к компьютерному моделированию клеток

Исследователи из Университета Канзаса представили в Proceedings of the National Academy of Sciences новую методику компьютерного моделирования молекулярных процессов жизни. Работа является шагом к созданию рабочей симуляции живой клетки с атомарным разрешением.

Проблема существующих методов

До сих пор моделирование клеток упиралось в сложность описания белков и их взаимодействий. Существующие подходы имеют недостатки:

• Алгоритмы стыковки белков (protein docking) хорошо определяют пространственные координаты, но не учитывают временную динамику взаимодействий.
• Молекулярное моделирование (molecular simulation) хорошо описывает динамику, но работает слишком медленно или с низким разрешением.

Новый гибридный подход

Команда под руководством Ильи Ваксера разработала алгоритм, объединяющий преимущества двух методик. Ключевая идея — моделировать систему, «путешествуя» только по высоковероятным (низкоэнергетическим) состояниям и пропуская маловероятные, оценивая скорости переходов между стабильными состояниями.

Результаты

• Новый метод в десятки или сотни тысяч раз быстрее существующих техник атомарного разрешения.
• Он открывает доступ к моделированию физиологических механизмов, ранее недоступных для вычислений.
• Точность не теряется, а, возможно, возрастает, так как протокол основан на методах стыковки, специально созданных для анализа белковых комплексов.

Перспективы применения

Метод можно использовать для:

• Изучения молекулярных путей, лежащих в основе механизмов заболеваний.
• Определения вредных эффектов генетических мутаций через анализ изменённых паттернов ассоциации белков.
• Выявления мишеней для дизайна лекарств путём обнаружения критических элементов в белковых взаимодействиях.

Будущие направления

Среди планов — адаптация подхода для моделирования взаимодействий белков с нуклеиновыми кислотами (РНК и ДНК), учёт гибкости молекулярных форм и применение процедуры к модели реальной клетки.