Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами, страница 11

Метод имитирует подлинные тепловые флуктуации исходнойструктуры. Затем исследователи пытаются изъять из накопленных данных полезную информацию об исследуемом объекте, однако количество этих данныхпо-прежнему очень мало, по сравнению с явлениями в реальном мире. С появлением новых мощных аппаратных средств, таких, как графические процессоры (GPU), или даже специализированного оборудования, временной масштабмоделирования биомолекул будет постепенно смещаться в микросекунднуюобласть или даже миллисекундную [109; 110].632.3.2Как можно сравнить моделирование с экспериментом?Многие полагают, что моделирование в растворе нацелено на то, чтобы имитировать эксперимент.

Однако условия моделирования являются специфическими и не соответствуют ни одному эксперименту. Типичный эксперимент моделирования молекулярной динамики содержит одну биомолекулу, например,тяж G-ДНК, и его окружают конечным количеством растворителя и ионов привведении периодических граничных условий.

Размер ячейки с растворителемвыбирают так, чтобы он был достаточно мал для минимизации затрат на расчётрастворителя, но, в то же время, необходимо имитировать условия, при которыхвоспроизводятся свойства чистого растворителя вдали от растворённого вещества. К сожалению, при относительно высокой концентрации G-ДНК (растворённого вещества), часто используемой в эксперименте, 5-50 мМ, невозможнопоместить одну молекулу в ячейку, а значит, нельзя удовлетворить последнемуусловию.Периодически размещённые в ячейках молекулы G-ДНК, очевидно, не могут взаимодействовать друг с другом. Например, при высокой концентрации,молекулы G-ДНК не могут агрегировать, хотя должны, если, конечно, несколько молекул G-ДНК не присутствуют в одной и той же ячейке.

Это указывает наискусственность моделируемой системы и может приводить к появлению артефактов в моделировании [111]. Помимо вопросов о конечном размере, высокойконцентрации растворённого вещества и периодичности, есть также потенциальные проблемы с влиянием солей на структуру. Важно подчеркнуть, что моделирование должно служить в качестве автономного дополнения к экспериментам. Например, структуры РНК ``изгиб-поворот'' [112—114] или внутренние петли РНК 5'-UAA / 5'-GAN [115; 116] являются важными строительными64блоками, которые периодически встречаются в рибосоме, и их стабильностьобеспечивается также дополнительными взаимодействиями РНК с окружениемили даже с белками. Таким образом, их равновесное состояние в изолированномвиде, определённое методом ЯМР, отличается от того, что происходит в рибосоме, и, следовательно, динамика конформации в изолированном состоянии имеет ограниченный биохимический смысл.

В то же время, в отличие от экспериментальных подходов, моделирование может аккуратно исследовать свойствапереходов таких РНК из состояний, близких к биологически значимым. С другой стороны, если разворачивание структуры предотвращено достаточно высоким энергетическим барьером, то результат моделирования не приведёт к болеестабильной структуре. Таким образом, моделирование собирает полезные данные только о близких альтернативных структурах. Для данного случая не стоит проводить аналогии между моделированием в растворе и экспериментом.Моделирование таких структур должно быть связано с исходным состояниемэтого элемента в составе рибосомы.

То же самое можно сказать о квадруплексной ДНК: есть все основания использовать имитационное моделирование длямикросостояний G-ДНК, которые нельзя обнаружить в экспериментальных исследованиях, но они могут участвовать в формировании квадруплексов [117].Кроме того, можно исследовать ту топологию G-ДНК, которая, вероятно,наименее представлена в типичных условиях эксперимента. Целью такого исследования может быть понимание причин, по которым эта конформация неявляется представленной. Надо понимать, что слабо представленные конформации не регистрируются экспериментальными методами.

С другой стороны,при оценке применимости моделирования, надо признать, что результаты эксперимента могут быть неадекватными из-за условий проведения эксперимен-65та. Структуры, полученные методом РСА, могут в определённой степени бытьподвержены эффекту кристаллической упаковки [118—120].Для определения структуры методом ЯМР иногда вводят изменения в последовательность или используют другие химические модификации [121; 122].Это редко обсуждается, но термодинамика и кинетика небольших систем ДНКможет заметно меняться при присоединении меток, например, хромофоров вэкспериментах с FRET.

Это становится очевидным при рассмотрении чувствительности структурной динамики ДНК к самым тонким изменениям последовательности [123]. Собственно, моделирование может быть использовано дляисследования влияния присоединения хромофора на структуру ДНК [124].Стандартный подход к моделированию может быть представлен следующим образом: создаётся начальная геометрия (обычно берётся из эксперимента,возможно, с изменениями), биополимер погружают в виртуальную ячейку с водой при наложении периодических граничных условий, устанавливают температуру моделирования (с использованием алгоритмов-``термостатов''), а затемпозволяют системе двигаться, благодаря тепловым флуктуациям.

После окончания моделирования проводят анализ накопленных данных. Таким образом,моделирование может рассматриваться в качестве альтернативного инструмента, в дополнение к экспериментальным методам. Моделирование позволяет задавать конкретные вопросы о поведении молекул и, конечно, отвечать на них.Как было отмечено выше, нужно быть очень консервативным и осторожнымпри попытке построении модели, не основанной на экспериментальных данных атомарного разрешения, даже если модель строится для части молекулы.В хорошо выполненном вычислительном исследовании всегда должен присутствовать параграф с оценкой ограничений применимости результатов модели-66рования, а также и краткий обзор соответствующей литературы; а результатыне должны быть представлены как результат реального эксперимента.2.3.3Ограничения моделирования МД с классическими силовыми полямиОсновным преимуществом метода моделирования МД является уникальный уровень детализации всех аспектов эволюции структуры биополимера вовремени, с определённым приближением её энергии.

В том числе в МД, доступна информация обо всех молекулах воды и ионах. Эту информация невозможно в настоящее время получить из эксперимента. Тем не менее, МД имеет два хорошо известных и значительных ограничения. Во-первых, время наблюдения в моделировании очень малО, по сравнению со временем протекания большинства соответствующих молекулярно-биологических процессов.Например, ``расплетание'' пары оснований, происходит в микросекундномдиапазоне [123; 125; 126], а самосборка структуры G-ДНК происходит в диапазоне времён от микросекунд до нескольких дней [127].Короткие времена наблюдения подразумевают, что при расчёте доступналишь малая часть фазового пространства (выборки) молекулы вокруг исходнойгеометрии. Если исходные структуры не являются представленными в реальной смеси конформеров, то такая выборка может привести к неточным результатам.

Ранее уже подчёркивалось, что такой подход является рискованным способом применения моделирования, т.е. моделирование МД предполагаемой гипотетической модели структуры с малой выборкой приведёт к метастабильнымконформациям, близким к стартовой геометрии. Во-вторых, увеличение мощности вычислительных средств только подчёркивает неточности, допущенные67при построении силовых полей, хоть они и являются простыми, аналитическими функциями, связывающими структуру с потенциальной энергией.Энергия →Вычислительная мощность∆←Конформационное равновесие →Рисунок 2.11: Схематическое изображение координаты конформационногоравновесия. В коротких моделированиях МД выборка будет сделана рядом сисходной структурой.

Если это экспериментальная структура, то такаявыборка обеспечит точное представление о равновесных флуктуациях. Еслиприменить более длительное время моделирования и/илиусовершенствованные методы по сканированию фазового пространства, томожно преодолеть энергетические барьеры перехода либо кнепредставленным, либо к представленным структурам. Однако, еслинепредставленные структуры из-за неточности силового поля имеют болеенизкую энергию, то переход к представленной структуре становится менеевероятен.Если силовые поля неточны, то, при наличии достаточной вычислительной мощности, результаты моделирования приведут к непредставленным илинеправильным геометриям (рисунок 2.11). Когда временные рамки моделирования были ограничены сотнями пикосекунд, исследователи даже с неточнымописанием электростатики и примитивными силовыми полями получали ``стабильное'' поведение системы [128; 129].

С использованием параллельных вы68числений в программах для молекулярной динамики стало ясно, что силовыеполя нуждаются в улучшении, равно как и в более точном расчёте удалённыхэлектростатических взаимодействий. Обсуждение современных достижений вописании нуклеиновых кислот приведены в части обзора, посвящённой сахарофосфатному остову НК.2.3.4Использование ионов в моделировании G-ДНКСтруктура нуклеиновых кислот, как известно, чувствительна к ионнымусловиям и должна в моделировании быть чувствительной к концентрации итипу ионов.