отзыв официального оппонента кандидата физ.-мат. наук Мазо М.А (Анализ данных атомно-силовой микроскопии с помощью компьютерного моделирования)

ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА на диссертационную работу Толстовой Анны Павловны "Анализ данных атомно-силовой микроскопии с помощью компьютерного моделирования", представленную на соискание ученой степени кандидат» физико-математических наук по специальностя 03.01.02 — биофизика. Диссертационная работа А.П. Толстовой посвящена разработке и использованию методов молекулярного моделирования для интерпретации и уточнения результатов, полученных методом атомно-силовой мпкроскопин прн анализе пространственной структуры молекул белка. В настоящее время атомно-силовая микроскопия широко используется для изучения рельефа поверхностей.

Поскольку пространственное разрешение этого метода по координатным осям обычно составляет порядка 1 нм, атомно-силовая микроскопия позволяет исследовать объекты нанометрового размера, а значит ее можно использовать для анализа 1п ы1го в режиме реального времени белковых комплексов и даже отдельных молекул белка в капле на подложке. Это позволяет проводить исследование в растворе с заданной концентрацией соли, в том числе, что очень важно, в условиях, приближенных к физиологическим, Однако при адсорбции на поверхности и при агрегации белки деформируются.

Кроме того, в отличие от твердых объектов, в молекулах белка также возникают деформации при взаимодействии с кантилевером силового микроскопа, что необходимо учитывать при интерпретации результатов. Современная вычислительная техника и разработанные методы молекулярно-динамического моделирования позволяют с хорошей точностью воспроизводить как пространственную структуру молекул и молекулярных комплексов, так и их подвижность в различных средах. В связи с этим рассмотренный в диссертации подход; использование численного моделирования для уточнения результатов атомно-силовой микроскопии, учет изменений в структуре молекул при их адсорбции на гюдложке и при взаимодействии их с канцилевером, представляется весьма удачным. Разрабатываемый Толстовой А.П.

метод позволяет, в частности. решить одну из проблем, возникающую при определении структуры подвижных областей белка, которые не могут быгь кристаллизованы. Молекулярное моделирование как правило не позволяет однозначно определить конфигурацию таких участков, которые могут играть важную функциональную роль. Однако использование численного моделирования для анализа результатов атомно-силовой микроскопии дает возможность решить эту проблему. В связи с этим разработка новых подходов, позволяющих определять структуру высокоподвижных в кристаллцческом состоянии областей белковой молекулы, имеет как теоретическое, так н практическое значение и является, несомненно, весьма актуальной задачей.

Содержание работы излагаешься на 130 страницах, включающих введение, три главы, 1:,:"-". заключение, список цитируемой литературы (151 источник) и содержит 32 рисунка и 1О таблиц. В Введении раскрывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна. научная и практическая ее значимость, приведены положения, выносимые на защиту, приведены публикации автора по теме диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор, который состоит из двух частей. В первой приводятся общие сведения о молекулярно-динамическом методе моделирования и кратко обсуждаются некоторые проблемы, которые возникают при использовании этого метода при моделировании белковых молекул. Вторая часть посвящена описанию принципов атомно-силовой микроскопии и ее использованию для исследования белков с неструктурированными или плохо структурированными участками. На основании приведенного литературного обзора, и это представляется весьма важным, диссертант делает собственные выводы о современном состоянии дел рассматриваемой области науки, формулирует задачи своего исследования.

Во второй главе вначале анализирук«тся различные подходы к исследованию белков с неструктурированными участками методами молекулярного моделирования. Показано, что минимизация энергии сама по себе не приводит белок в глобальный «нергетический минимум в энергетическом пространстве, а значит, пе может использоваться в качестве унивсрсалыюго метода уточнения структур белковых молекул. Затем подробно анализируюзся данные о структуре и субъединице РНК полимеразы Е.со!«, небольшого белка, входящего в состав холофермента РНК полимеразы.

и отвечак«щего за инициацию транскрипции конститутивных генов. Проведенное Толстовой А.П. моделирование определило наиболее подвижные участки молекулы, позволило уточнить их пространственную структуру и обнаружить зависимость расположения С-концевого домена 4 от концентрации соли. Последний параграф посвящен разработке молекулярных моделей различных подложек, которые используются в атомно-силовой микроскопии при исследовании белковых молекул. Здесь диссертанту удалось получить и верифицировать параметры потенциалов атом-атомных взаимодействий, позволяющие в стандартном пакете ОКОМАСБ проводить моделирование взаимодействия небольших органических и белковых молекул с поверхностью графита и слюды, К сожалению, Толстова А.П, была не знакома с работами Судан, К, Т.„который ранее уже разработал совместимые с пакетом ОКОМАСЯ весьма удачные потенциалы для глинистых минералов.

Полагаю, включение их в разработанную диссертантом схему расчетов позволило бы несколько повысить эффективность расчетов. В третьей главе демонстрируются возможности предлагаемой методики анализа структуры белковых молекул на примере и'"'-субъединице РНК полнмеразы Е.со!1. Показана эффективность параллельного исследования одного и того же объекта методом атомно-силовой микроскопии и с использованием молекулярного моделирования. Такой комплексный подход позволил детально 2 ать адсорбцию рассматриваемого белка на различных поверхностях„ построить молекулярную модель агрегатов ранних стадий (протофибрилл) а~~-субъединицы РНК полимеразы Е.сой и пострипь близкую к пативной структуру этого белка при разных уровнях ионной силы раствора. В конце работы приведены выводы, которые содержат основные результаты диссертации.

Представленная к защите диссертация содержит законченное научное исследование. Результаты исследования. сформулированные в выводах, являются новыми. Достоверность результатов и выводов диссертации определяется высоким как теоретическим, так и экспериментальным уровнем работы. Разработанный подход к исследованию белковых молекул может использоваться для уточнения и других молекулярных структур, изучаемых методом атомно-силовой микроскопии. Предложенные параметры силового поля для моделирования взаимодействия органических молекул с поверхностью графита и слюды могут быть полезны для проведения молекулярно-динамических расчетов.

Работа написана хорошим литературным языком. Основные результаты полно отражены в автореферате и в публикациях по теме диссертации, Отдельно нужно отметить хорошее качество рисунков, иллюстрирующих результаты молекулярного моделирования и проведенных исследований на атомно-силовом микроскопе. При безусловной положительной оценке работы необходимо сделать несколько замечаний, 1. В и. 2.3 (стр.

66) при описании предлагаемых параметров для силовых полей подложек очень подробно описываются те изменения, которые надо нести в базу данных пакета ОКОМАСВ. Эти материалы было бы естественно вынести в отдельное приложение. Однако именно в этом пункте следовало бы привести хотя бы краткий анализ и обоснование предлагаемых параметров, а также соответствукнцие формулы и численные значения этих параметров в виде таблицы. Это бы позволило бы их использовать не только в пакете ОКОМАСЯ, но и в других молекулярно-динамических пакетах. 2. При описании результатов моделирования адсорбцин молекул ОМ на графите в п.

2.3.3 (стр.74) было бы полезно описать структуру получившейся модифицированной поверхности. 3. В таблице 2.3 (стр. 57) приводятся фамилии авторов работ без их инициалов и без ссылок на сами работы. 4. Несколько неудачных выражений: " ... с атомистической точностью" (стр. 4); Суть метода МД заключается в "интегрировании уравнений движения всех элементарных частиц" (стр,14); потенциал описывающий "сгиб", правильер "валентный угол" (стр.15): силы, "отвечиощие за взаимодействие внутри связей" (стр. 24) ..... Несмотря на сделанные замечания„диссертация А.П. Толстовой представляет собой законченное фундаментальное исследование, наиболее существенные достижения которого достаточно полно отражены в основных результатах и выводах работы, а также в публикациях диссертанта. Автореферат и публикации соответствуют содержанию диссертации.

Результа~ы исследования могут представлять интерес для таких организаций как высшие учебные заведения (физический, биологический и химический факультеты МГУ, биологический и химический факультеты СПбГУ, Казанский государственный университет, Московский физико-технический институт, Тверской государственный университет) и химические и биологические институты Академии наук (ИБХФ РАН, ИБ РАН, ИВС РАН, ИБГ РАН, ИБХ РАН, ИБК РАН ил,д,), Результаты исследования, сформулированные в выводах, являются новыми. По результатам исследования опубликовано 15 печатных работ, в том числе, в 2-х статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ, работа прошла апробацию на международных и российских научных конференциях.

Диссертационная работа А.П. Толстовой полностью удовлетворяет требованиям п. 9 "Положения о порядке присуждения ученых степеней", утвержденного постановлением Правительства Российской Федерации от 24 сентября 2013 г. № 842 и другим требованиям ВАК РФ, предъявляемым к диссертациям на соискание ученой степени кандидата наук. Автор диссертации, А.П. Толстова, несомненно, заслуживает присвоения ей ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.01.02 — биофизика. Старший научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института химической физики им. Н.Н.

Семенова кандидат физико-математических наук М.А. Мазо '"'Ё'' 'Оьнчо1~у~ 'узо «щдпщь сотрудника ~Уг~ '~~' ~,;д ~~; ~~в !'пивря с Фкявлтарь Адрес места работы: 119991 Москва, ул. Косыгина 4 ИХФ РАН, тел. 8(495)939-75-15 эл. адрес: т1)сЬа)1лпахо1®8пза11.сопз .