Странное поведение в переполненной клеточной среде

Исследователи из RIKEN и Университета штата Мичиган использовали мощный суперкомпьютер K, чтобы показать, как молекулы движутся внутри чрезвычайно переполненного содержимого бактериальной клетки.

Исследования in vitro (в пробирках) дали нам хорошее понимание того, как молекулы взаимодействуют друг с другом. Однако о том, как они взаимодействуют in vivo (в реальных клетках), известно мало, поскольку из-за скученности они могут вести себя способами, которые сложно смоделировать в пробирках. Примерно 70% цитозоля состоит из воды, а оставшиеся 30% — из макромолекул, таких как рибосомы, биомолекул, таких как белки и ДНК, метаболитов, таких как АТФ и аминокислоты, и ионов.

В исследовании, опубликованном в eLife, группа смоделировала внутренность самой маленькой известной бактерии — Mycoplasma genitalium (длиной около 400 нанометров) — и динамически смоделировала около одного триллиона атомов внутри клетки. Это одна из крупнейших на сегодняшний день молекулярно-динамических симуляций. Моделирование проводилось с помощью GENESIS — массово-параллельной программы молекулярной динамики, разработанной в RIKEN. Расчёты, использовавшие 65 536 процессорных ядер суперкомпьютера K, заняли несколько месяцев.

Результаты ставят под сомнение преобладающее предположение, что в переполненной клеточной среде взаимодействия между молекулами в основном управляются явлением «эффекта исключения объёма» (молекулы монополизируют определённый объём растворителя — воды — вокруг себя, не позволяя другим молекулам занимать это пространство). Вместо этого симуляция показала, что другие взаимодействия — например, электростатические между заряженными молекулами — играют важную роль.

Иссеки Ю из RIKEN iTHES, первый автор исследования: «Эта работа показала, что существуют серьёзные различия между условиями in vitro и условиями in vivo в клетке. Мы нашли свидетельства взаимодействий помимо "эффекта исключения объёма", включая белок-белковые взаимодействия и электростатические взаимодействия с ионами и метаболитами. Их необходимо учитывать при интерпретации исследований in vitro».

Юджи Сугита, один из руководителей исследовательской группы: «Это исследование приблизило нас на шаг к мечте о симуляции целой клетки в молекулярном масштабе. Работа также внесёт вклад в разработку лекарств, поскольку предыдущие исследования обычно рассматривали взаимодействия между белками и одним кандидатным соединением в воде. Теперь мы сможем анализировать взаимодействия кандидатного соединения с другими молекулами в переполненной клеточной среде». Сугита отмечает ограничение: из-за огромной требуемой вычислительной мощности были проведены только короткие симуляции. «Мы верим, что результаты точны, но надеемся выполнить эту работу на более мощных компьютерах будущего, чтобы уменьшить статистические неопределённости и включить в симуляцию другие взаимодействия, такие как с геномной ДНК и элементами цитоскелета».

Майкл Фейг, руководитель проекта в Университете штата Мичиган: «Эта работа — большой шаг вперёд к моделированию целой клетки в атомарных деталях, что в конечном итоге позволит нам связать наши знания на молекулярном уровне с биологической функцией на клеточном уровне».