Толстова отзыв на автореферат д.б.н. Лопинои О.Д. (Анализ данных атомно-силовой микроскопии с помощью компьютерного моделирования)

отзыв на автореферат диссертации Толстовой Анны Павловны «Анализ данных атомно-силовой микроскопии с помощью компьютерного моделирования», представленной на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.01.02— «Биофизика» Последние успехи биологической науки привели к ускорению процессов расшифровки геномов многих видов, выявлению первичных структур отдельных белков, а также гомологии между белками и установлению близких по структуре белков (семейств белков). Одновременно, с увеличением производительности компьютеров, стало возможным проведение компьютерного моделирования трехмерной структуры белков. Однако, процесс моделирования возможен лишь на основе экспериментапьных данных, полученных главным образом двумя методами: рентгеноструктурного анализа (РСА) и ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

При этом РСА используется для изучения малоподвижных белков (чаще всего одной фиксированной в кристалле конформации белка), а метод ЯМР— для исследования малых белков. В некоторых случаях эти методы ' не дают желаемой точности и для получения информации о третнчной структуре некоторых белков необходимо использовать другие экспериментальные методы, среди которых наиболее подходящим и позволяющим изучать конформационные особенности отдельных крупных белков и белковых комплексов 1п г1гго в режиме реального времени является атомно-силовая микроскопия.

В связи с этим, тема исследования диссертационной работы Толстовой А. П., в'соответствии с которой предполагается разработка методологии анализа данных, полученных методом атомно-силовой микроскопии, является весьма актуальной. Особенно интересным может оказаться применение такого подхода для анализа белков с неструктурированными участками белковой цепи, в которых могуг находиться важные функциональные центры белков. В начале исследования автор пытается найти ответ на вопрос, можно ли, имея кристаллическую структуру с невысоким разрешением (больше 2 А)„полученную методом 1'СА, уточнить ее исключительно с помощью компьютерного моделирования. Это исследование было выполнено путем минимизации энергии для выборки белков с известной структурой, полученной РСА с различным разрешением.

Результаты свидетельствуют, что минимизация энергии сама по себе не приводит белок в глобальный энергетический минимум в энергетическом пространстве, это означает, что идеально разрешенная структура таким способом не может быть получена. Далее автор попытался решить проблему наличия пропусков в структуре белков„ полученных методом РСА. Для анализа был выбран белок с неболыпими пропусками в структуре, а именно: а~~-субъединицы РЕЕК-полнмеразы Е. Спй. Этот белок демонстрировал такие же изменения в структуре, что и изменения, обнаруженные методом ЯМР, а также в биохимических экспериментах.

Полная структура белка была создана на основе анализа 20 структур из банка данных, после чего были выбраны наиболее близкие (по результатам выравнивания) структуры с перекрывающимися областями в районе пропусков, и отдельные области белка были перенесены из одной структуры в другую. Это позволило уменьшить области для предсказания. Далее было проведено моделирование структур в растворах с разной ионной силой в течение 150 нс. Оказалось, что полная и неполная структуры продемонстрировали одинаковый характер измерений в зависимости от ионной силы. Это показало успешность применения молекулярной динамики для трактовки экспериментальных данных.

Моделирование с использованием данных РСА использует не тот белок, который участвует в реальных экспериментах, а несколько отличающуюся структуру. Поскольку вопрос, какова структура неизвестных областей белка, оставался неясным, автор резонно предложил использовать для диагностики экспериментальный метод, а именно: атомно- силовую микроскопию (АСМ). Однако для использования этого метода необходимо учитывать влияние взаимодействий белка с подложкой и белка с кантилевером микроскопа.

В связи с этим был проведен анализ методов моделирования адсорбции белков на различные поверхности, используемые при АСМ. Для получения топологий поверхностей силовые поля, наилучшим образом подходящие для моделирования белков, были дополнены параметрами для моделирования твердых тел, после чего были построены модели нескольких подложек, часто использукнцихся в АСМ: это свежесколотая слюда и модифицированная гексаметилдиснлозаном слюда, а также свежесколотый графит и модифицированный молекулами ОгарЫе шойбег графит. Моделирование этих подложек в воде и в вакууме в течение 10-15 нс показало их стабильность. Проведя всю подготовку к экспериментам, автор перешел к моделированию структур белков, которые одновременно изучались с помощью АСМ.

С помощью молекулярной динамики были построены модели олигомеров о~~- субъединицы РНК-полимеразы Е. Сой, которые показывают ранние стадии образования амилоидных фибрилл этого белка, визуалнзированных на слюде в АСМ. Сначала после 40 нс моделирования из 6 вариантов начального расположения были получены два варианта димера белка, из которых автор выбрала вариант с наибольшим количеством связей„в нем белки взаимодействуют областями из серединного домена ИСК. Затем, на основе моделирования 4 вариантов димера с димером и 3 вариантов димера с единичным белком было получено 5 случаев контакта, в каждом из которых друг с другом взаимодействовали концевые домены белков. Такое единообразие позволило автору предположить, что в фибрилле молекулы белка связаныдруг с другом попарно концами и ИСК-доменами. Были измерены характерные размеры получившегося олигомера из четырех белков.

Сравнение с данными АСМ в воде, во-первых, показало хорошее совпадение размеров белка, во-вторых, удалось измерить персистентную длину цепи из белков в модели и в эксперименте, и эти данные также совпали, и в-третьих, структура олигомера в модели совпала со структурой фибрилл в АСМ, это бусины-на-нити. Это позволило считать полученный олигомер начальной стадией образования амилоидной фибриллы осубъединицы РНК-полимеразы Е. Со11 . Таким образом, автор продемонстрировала перспективность комбинирования методов молекулярной динамики и АСМ.

Однако, в данной работе не была учтена роль подложки„поэтому далее автор провел исследование адсорбции фибриногена человека на поверхность слюды и модифицированной гексаметилдисилозаном слюды(ГМДС). АСМ-исследование фибриногена на этих поверхностях показало, что структура белка существенно различается. Моделирование адсорбции в течение 5 нс показало такой же характер изменений в структуре белка, что и на изображениях АСМ. Оказалось, что концевые глобулярные 0-домены белка плотно контактируют с гидрофобной поверхностью ГМДС и даже распластаны на ней, а на гидрофильной слюде приподняты.

Соответствие размеров в АСМ и молекулярной модели показало одинаковое изменение структуры при смене подложки. Однако, без учета влияния зонда на образец высоты модели и АСМ- изображения сильно различались. Следующий белок, исследованный автором методами АСМ и молекулярной динамики — это лизоцим из белка куриного яйца. Для него автор также получала АСМ- изображения единичных молекул на слюде и модели адсорбции„после чего сравнивала полученные структуры. Автор подробно описала методику, по которой она получала модельные АСМ-изображения, имитируя зондовое сканирование. Движения зонда не учитывались, поэтому высота белка в модели и на АСМ-изображении различалась в два раза, хотя латеральные размеры довольно близки.

Подводя итоги, можно сказать, что Толстова А.П. представила и обосновала перспективность метода сравнения данных АСМ и молекулярной динамики, а также предложила методику получения топологии поверхности моделей адсорбнрованных белков. Выводы диссертации вытекают из описанных экспериментов и обоснованы. Работа проппи достаточную апробацию на конференциях и научных школах.