'Размораживание' молекулярных белков для изучения их функций в действии

Исследователи из Департамента физиологии и биофизики Медицинской школы Вейл Корнелл разработали новый вычислительный метод для проведения молекулярно-динамического моделирования белков при специфической концентрации ионов водорода (pH), при которой они функционируют. Метод, названный Equilibrium Constant pH (ECpH), представляет собой значительный прогресс в способности вычислительного моделирования точнее представлять структуру и функции мембранных белков человеческой клетки в различных условиях.

Метод ECpH и результаты его применения были описаны в статье, недавно опубликованной в журнале Molecules. Для тестирования производительности кода ECpH и проведения масштабных симуляций команда использовала суперкомпьютер Summit в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF).

Многие белки функционируют при различных уровнях pH по-разному, что долгое время было серьёзной проблемой для биологов. Новый метод позволяет проводить молекулярно-динамическое моделирование в диапазоне pH и предсказывать конформационные изменения, вызванные pH.

Белки, расположенные во внешних мембранах клеток, распознают изменения снаружи (например, появление лекарства) и передают сигнал внутрь клетки. Их внешняя оболочка состоит из гидрофобных аминокислот, среди которых разбросаны положительные и отрицательные заряды, играющие ключевую роль в распознавании сигналов. Эти заряженные остатки чувствительны к изменениям уровня pH.

Разные уровни pH (мера кислотности жидкостей) внутри и вокруг клеток запускают разные действия белков. Изменение pH может привести к тому, что некоторые отрицательно заряженные остатки станут нейтральными, присоединив протон. Это изменение распределения заряда вызывает и изменение структуры белка, что почти всегда необходимо для его функции.

Изменение конформации при изменении pH — это механизм, который природа использует для активации или деактивации молекул как в нормальной работе белков, так и при заболеваниях. Благодаря вычислительной мощности современных суперкомпьютеров теперь можно наблюдать, что происходит со всем белком в новых условиях, и определять механизм этого процесса.

Команда также использовала ECpH на Summit для проверки результатов другой новой вычислительной методики, разработанной учёными Вейл Корнелл для высокоразрешающего анализа биомолекул: локализационной атомно-силовой микроскопии (LAFM).

Современные методы исследования динамического поведения биомолекул имеют ограничения из-за статичных подходов: криоэлектронная микроскопия замораживает молекулы, а рентгеновская кристаллография требует их кристаллизации. LAFM, напротив, позволяет проводить прямую визуализацию динамики мембранных молекул при комнатной температуре в реальном времени.

Хотя стандартная атомно-силовая микроскопия может детально сканировать молекулы in situ с помощью атомно-размерного «зонда», она ограничена белками, выступающими над поверхностью мембраны. Из-за движения белков изображения AFM часто получаются размытыми. LAFM применяет алгоритмы локализации к пространственным флуктуациям объектов для создания высокоразрешающих изображений.

Возможность получать предсказанные изменения структуры при различных значениях pH из симуляций ECpH помогла интерпретировать результаты LAFM в статье для Nature.

Вместе эти инновации дают структурную и динамическую информацию, превышающую разрешение изображений текущих физиологических и вычислительных методов анализа, и обещают привести к новому пониманию молекулярных механизмов.