Диссертация (Анализ данных атомно-силовой микроскопии с помощью компьютерного моделирования), страница 4

Для того, чтобы такой атом могсдвинуться с места, требуется преодолеть некоторый потенциальный барьер,тогда как молекулы растворителя свободны в движении и могут занять,например, недоступные в процессе растворения полости внутри белка.22NVT уравновешивание предполагает, что количество частиц, объем итемпература в системе постоянны. Поскольку первые два требованиявыполнить совсем несложно, остановимся подробнее на термостатированиисистемы. Существует несколько схем термостатирования.

Остановимся нанекоторых из них.В термостате Берендсена [14] отклонение температуры системы отнекоторой температуры T0 медленно корректируется согласно уравнению=(1.10)Термостат Берендсена наиболее эффективно приводит систему кзаданной температуре. Однако он подавляет флуктуации кинетическойэнергии системы, вследствие чего становится невозможным создаватьтраектории, согласующиеся с каноническим ансамблем. Однако, эта ошибкапропорциональна 1/N и для больших систем не оказывает существенноговлияния. Для устранения этого недостатка используется очень похожийперемасштабирующий скорости термостат, в котором тепловой поток черезсистему влияет на перемасштабирование скоростей[15]. Для этого вводитсядополнительное слагаемое, корректирующее распределение кинетическойэнергии:=(− )+2(1.11)√где К - кинетическая энергия,винеровский процесс.

Параметр- количество степеней свободы а dW близок, но не равен временной константеτ из термостата Берендсена, поскольку изменение температуры меньше, чемперемасштабированиеэнергиивследствиеутечкичастиэнергиивпонециальную.Как уже упоминалось, термостат Берендсена не позволяет проводитькорректное моделирование канонического ансамбля вблизи заданной23температуры.

Для таких задач используется термостат Нозе-Хувера[16, 17]. Внем производится учет теплообмена системы с тепловым резервуаром.Точно так же, как в случае с термостатированием, систему можнопоместить в некий резервуар, поддерживающий постоянное давление. Вслучае уравновешивания системы это нужно для достижения необходимойплотности везде в растворе. Наиболее популярные баростаты - баростатБерендсена [18] и баростат Паринелло-Рамана [19], а также MTTK баростатМартины-Тукермана-Тобиаса-Клейна [20].Молекулярная динамика биополимеров.После того, как система должным образом минимизирована иуравновешена,становитсявозможнымзапуститьтакназываемоепродуктивное моделирование, когда временные изменения в системе будутзатрагивать не только окружение, но и сам объект.Современныемашинныемощностипозволяютпромоделироватьпроцессы в системах с несколькими миллионами атомов в течениенескольких миллисекунд[21].Компьютерноемоделированиеметодоммолекулярной динамикивключает следующие общие стадии:1.Получение начальных координат, скоростей и потенциалавзаимодействия V.2.=−Расчет силы, действующей на каждый атом, по формуле, которая складывается из суммы сил, возникающих междунесвязаннымиатомами=∑исил,отвечающихзавзаимодействие внутри связей.

Иногда добавляются ограничивающиедвижение или внешние силы. Также на этом шаге рассчитываютсяпотенциальная и кинетическая энергия системы и давление.243.Обновление входных данных. На этом шаге происходитперерасчет координат и скоростей всех атомов из уравнений Ньютона1.1. Шаги 2-3 повторяются нужное количество раз.4.Последний шаг моделирования, создание координатногофайла.1.3Некоторые ограничения и проблемы методамолекулярной динамикиМетод молекулярной динамики применим, если длина волны ДеБройля атома (или частицы) много меньше, чем межатомное расстояние[21].Такжеклассическаямолекулярнаядинамиканеприменимадлямоделирования систем состоящих из легких атомов, таких как гелий иливодород.

Кроме того, при низких температурах квантовые эффектыстановятся определяющими, и для рассмотрения таких систем необходимоиспользовать квантовохимические методы. Необходимо, чтобы времена, накоторых рассматривается поведение системы, были больше, чем времярелаксации исследуемых физических величин.Методом силового поля нельзя описать целый ряд процессов, в томчисле электронный и протонный перенос, электронные переходы[1].Метод силового поля - весьма приближенный способ заданияпотенциальной энергии. Его недостатки состоят в том, что энергиявзаимодействияпредставляетсяввидесуммыпарныхсферическисимметричных взаимодействий.

И то и другое, вообще говоря, неверно.Тем не менее, точность современных силовых полей позволяетиспользовать их для широкого класса задач структурной биологии[2,3], в томчисле и для изучения тонкостей адсорбции белков и их комплексов наразличные поверхности[22,23].25Но, пожалуй, самые неоднозначные и самые интересные экспериментыв молекулярной динамике возникают тогда, когда данные о начальнойструктуре, принимающей участие в модели, неполны. В качестве входныхданных в молекулярной динамике используют координатные файлытрехмернойструктурымолекулы,полученныеметодамирентгеноструктурного анализа (РСА) или ядерно-магнитного резонанса(ЯМР), и хранящиеся в специальных банках данных. На данный момент вкрупнейшем PDB-банке содержится 89344 структур белков, полученныхметодом РСА, и 9518 ЯМР структур [24]. Такое распределение связано с тем,что методом ЯМР пока нельзя получать структуры больших белков, и из-задороговизны он недоступен многим лабораториям. Разрешение белковыхРСА структур в среднем составляет 2,5 Å, часто такие структуры имеютпропуски, если не удается получить кристалл всего белка из-за высокойподвижности некоторых его частей.В последние годы все больше растет пропасть между количествомбелков с известной аминокислотной последовательностью и известнойструктурой.

Причем первая величина растет экспоненциально, а вторая линейно[25]. Поэтому фокус в компьютерном моделировании несколькосместился в область разработки новых способов моделированияипредсказания трехмерной структуры белков, о которых известна лишьаминокислотная последовательность. Известно, что гомологичные белкиимеют не только схожие последовательности, но также и структуры, причемвсохранениитрехмерныхструктурнаблюдаетсябольшаяконсервативность[26]. На основе этого факта были разработаны методысравнительногоилигомологичногомоделирования[27],позволяющиепредсказывать структуру белка, если известен его гомолог.

Разработка такихметодов позволяет уменьшить пробел в знании структур белков[28]. Однако,даже если удалось получить трехмерную модель полипептидной цепи такимиметодами, предсказать строение крупных белков, состоящих из нескольких26цепей, каждая из которых была построена по своему образцу, непредставляется возможным. Не говоря уже о том, что любая построенная спомощью сравнительного моделирования структура будет ближе к шаблону,чем к исследуемой структуре [29].В настоящее время ведется разработка так называемых Ab initio- или denovo- методов моделирования белка, создающих трехмерную структурубелках с известной аминокислотной последовательностью на основеквантово-механических и стохастических вычислений [30], а не на основекаких-либо уже известных структур.

Эта задача пока не решена, и, поданным Science, занимает 125 место в списке выдающихся проблемсовременной науки[31].Также следует упомянуть, что сами по себе отдельные белки редкопребывают в изоляции, как правило, они формируют комплексы смультидоменной организацией, часто содержащие не только белки, но инизкомолекулярные лиганды и ионы металлов как кофакторы. Для изучениятаких комплексов разработаны специальные методы, системы выравнивания,докинга, использующиеся активно для поиска ингибиторов при разработкелекарств[32].

Однако, детали структурно-афинного взаимодействия не доконца изучены, и такие модели зачастую лишь приближение реальности [33].Отдельная проблема молекулярной динамики - короткие временамоделирования из-за высоких системных требований и ресурсоемкости. Впоследнее время удалось увеличить времена моделирования с наносекунд домиллисекунд [34,35], однако такие объемы вычислений доступны лишьнемногим лабораториям.Несмотря на ограничения молекулярная динамика предоставляетширочайшиевозможностидляизучениядеталеймежмолекулярноговзаимодействия и особенностей конформационных преобразований белков.Хотелось бы надеяться, что в данном обзоре удалось показать необходимость27комбинирования данных молекулярной динамики с экспериментальнымиданными.

Следует заметить, что многие сугубо экспериментальные методы,такие как РСА и ЯМР обзавелись со временем мощным аналитическимаппаратом,позволившимсущественноувеличитьихразрешение.Компьютерное моделирование, как мне кажется, дает возможность создатьподобный аппарат и для атомно-силовой микроскопии.1.4Сканирующая зондовая микроскопия и ее возможностиСканирующаязондоваямикроскопия–современныйметодисследования морфологии и локальных свойств поверхности твердых тел свысоким пространственным разрешением. За последние 20 лет СЗМпревратилась из предмета исследований в широко распространенный иуспешно применяемый инструмент исследования свойств поверхности.В 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и ГенрихомРорером был изобретен первый из семейства СЗМ сканирующий туннельныймикроскоп (СТМ).

В своих исследованиях они получили изображенияатомарной структуры поверхности ряда материалов. В 1986 году за созданиеСТМ Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена нобелевская премия пофизике [36]. В дальнейшем были разработаны и другие виды СЗМ:ближнепольный оптический микроскоп (1982 г.), емкостной (1984 г.),атомно-силовой (1986 г.), магнитно-силовой, электросиловой (1987 г.) идругие [37].Зондовый микроскоп – уникальный инструмент для биологическихисследований, позволяющий проводить эксперименты invitro практическипри любых условиях, при которых происходит адсорбция объекта наповерхность. Это единственный прибор, способный проводить исследованиялокальных электрических, магнитных и механических свойств поверхности.28Пространственное разрешение сканирующего зондового микроскопапо осям X и Y обычно составляет порядка 1 нм и зависит от остроты зонда,по оси Z составляет величину менее 1 Å.Несмотря на ряд уникальных свойств, зондовая микроскопия насегодняшнийденьиспользуется,какправило,дляполучениядополнительного иллюстративного материала, а не количественных данных.Причиной тому является ряд искажений и артефактов, возникающих впроцессе сканирования.1.4.1 Принципы работы сканирующих зондовых микроскоповВ любом зондовом микроскопе присутствуют три основные части(Рисунок 1.1):1.зонд и система, отслеживающая его свойства;2.системаположенияперемещения,зондаобеспечивающаяотносительноизменениеисследуемогообразца(позиционирование зонда);3.Всистема управления и обратной связи.сканирующихзондовыхмикроскопахисследованиесвойствповерхности проводится с помощью специальным образом приготовленныхзондов в виде игл.