Моделирование проводимости ионных каналов на основе методов молекулярной и броуновской динамики

На правах рукописиТурченков Дмитрий АлександровичМоделирование проводимости ионных каналовна основе методов молекулярной и броуновскойдинамикиСпециальность 03.01.02 – БиофизикаАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена в лаборатории компьютерного моделирования наноструктур и биосистемФедерального государственного бюджетного учреждения науки Института математическихпроблем биологии Российской академии наук.Научный руководитель:Быстров Владимир Сергеевич, доктор физико­математических наукОфициальные оппоненты:Алиев Рубин Ренатович, доктор физико-математи­ческих наук, заведующий лабораторией электрофизио­логии Федерального государственного образовательно­го учреждения высшего профессионального образова­ния «Московский физико-технический институт»Соколов Валерий Сергеевич, доктор физико-мате­матических наук, ведущий научный сотрудник Феде­рального государственного бюджетного учреждениянауки Института физической химии и электрохимииим.

А.Н.Фрумкина РАНВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт биофизики клетки Российской акаде­мии наукЗащита состоится 5 марта 2015 г. в 17:00 на заседании диссертационного совета Д 501.002.11при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, расположенном поадресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.

2, физический факультет МГУ,ЦФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного универси­тета имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «»2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наукСидорова Алла Эдуардовна3Общая характеристика работыАктуальность темы исследования. Ионные каналы играют одну изключевых ролей в жизнедеятельности клетки, принимая участие в процессахгенерации и распространения нервного импульса, опосредования мышечных со­кращений, регуляции ионного обмена, сигнальной функции и др.

Любые незна­чительные структурные нарушения ионного канала могут привести к измене­нию его основных физиологических характеристик, определяющих его биологи­ческую роль в клетке — уровне проводимости и селективности. К настоящемувремени уже выявлено более 27 каналопатий (Roulesau, 2011), к которым отно­сятся гипо- и гиперкалиемический периодические параличи, различные формыэпилепсии и миастенические синдромы (Kass, 2005).

Более того, недавние ис­следования семейства пуринергических рецепторов показали не только их ис­ключительную важность в опосредовании сократительных ответов клетки, нои выявили их участие в механизмах пролиферации, дифференцировки и апо­птоза. Уже известно, что нарушения в работе отдельных каналов данного типаявлются причиной различных нейродегенративных расстройств, таких как бо­лезнь Паркинсона, Альцгеймера и др (Burnstock, 2008). Поэтому совершенноочевидно, что изучение механизмов работы ионных каналов и опосредуемыхими биологических эффектов представляет не только научный интерес, но иявляется важным аспектом на пути к созданию новых узкоспециализирован­ных лекарственных форм.С этой точки зрения исследование структуры и функций ионных кана­лов, а так же происходящих в них процессов, имеет смысл только вместе срассмотрением осуществляемых ими макроскопических функций, что требуетпривлечения современных, и во многом междисциплинарных научных дисци­плин, методов и подходов.

К настоящему времени разработано достаточно боль­шое количество различных методологий изучения ионных каналов. Основнымэкспериментальным методом на данный момент является методика локальнойфиксации потенциала «patch clamp», обладающая наибольшей чувствительно­стью, позволяющей получать характерные величины проводимости одиночныхканалов. Однако, проведение подобных экспериментов задействует достаточнодорогостоящее оборудование и применяется исключительно в научных исследо­ваниях в силу специфики подготовки объекта исследования.Активное развитие компьютерных технологий в последнее время привелок появлению различных методов компьютерного моделирования, среди которых4можно выделить методы квантовой химии, молекулярной и броуновской дина­мики, а также элементы электродиффузионной теории (Maffeo, 2012). Несмотряна значительные достижения, полученные с использованием данных методов,каждый из них имеет ряд существенных ограничений, что делает практическиневозможным их применение для макроскопического описания такой системы,как ионный канал на мембране.

Это вызвано несколькими факторами. Перваяпричина в том, что для проведения моделирования методами квантовой химииили молекулярной динамики нам необходимо знать пространственную структу­ру ионного канала. Учитывая, что мембранные белки тяжело поддаются кри­сталлизации (а значит проведение рентгеноструктурного анализа проблематич­но), применение данных методов возможно только на некоторых модельных,хорошо изученных системах, таких как ацетилхолиновый рецептор, калиевыйKcsA канал. Вторым сдерживающим фактором является размер системы: так,только KcsA состоит из более чем 15 000 атомов, а интегрированный в фосфоли­пидный бислой с явным учетом растворителя размер системы будет составлятьболее 100 000 атомов.

Для таких систем вычисления методами квантовой химиидаже на современных суперкомпьютерах невозможны. Применение же методовмолекулярной динамики способно только смоделировать единичные акты про­хода иона, и говорить о биологически значимых временных эволюциях системыв данном случае не приходится. Если говорить о применении электродиффузи­онной теории и уравнений Пуассона–Нернста–Планка, то, несмотря на потен­циально существенно большую временную эволюцию системы, которую мож­но получить данной методологией, ее применение ограничивается заложеннымдиффузионным механизмом переноса, который не наблюдается для большегочисла ионных каналов.Таким образом, совершенно очевидно, что на данном уровне развития ком­пьютерных технологий применение каждой методологии в отдельности не спо­собно охватить биологический процесс целиком, рассматривая систему на сво­ем отдельном микро-уровне. Поэтому основной целью данной работы являет­ся разработка нового подхода компьютерного моделирования процесса ионноготранспорта, который позволит объединить микро- и макро-уровни рассмотре­ния системы на биологически значимых временных интервалах.Цели и задачи диссертационной работы: Разработка комбинирован­ного алгоритма моделирования проводимости ионного канала и его примене­ние для оценки величины трансмембранных токов на примере ионных каналовP2X2 , P2X4 и P2X7 типа.5Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:∙ Создать математическую модель описания движения ионов и нейромеди­аторов в вязкой среде.∙ Учесть зависимость вязкости и диэлектрической проницаемости раствораот концентрации растворенных электролитов.∙ Создать разностную схему численного интегрирования уравнения Ланже­вена с учетом скоррелированности стохастических приращений координа­ты и скорости частиц на каждом временном шаге.

Исследовать получен­ную схему на сходимость, сравнить с существующими аналогами.∙ Разработать интерактивную студию моделирования, реализующую ука­занную методологию на стационарном ПК, с возможностью параллельныхвычислений на графических видеокартах.∙ На основе разработанной методологии получить характерные величиныионных токов, селективности и проводимости ионных каналов на примерепуринергических рецепторов P2X2 , P2X4 и P2X7 типа, сравнить получен­ные результаты с «patch clamp» экспериментами.Научная новизна. В данной работе впервые представлен комбинирован­ный метод компьютерного моделирования проводимости ионных каналов наоснове методов молекулярной и броуновской динамики, в сочетании с предвари­тельными вычислениями отдельных элементов системы методами DFT.

Благо­даря разработанной разностной схеме на основе аналитического решения урав­нения Ланжевена в приближении диэлектрического трения данный алгоритмпозволяет описывать движение растворенных ионов в области синаптическо­го контакта, а использование автокорреляционных функций позволяет модели­ровать диффузию нейромедиаторов в синаптической щели. Универсальностьподхода позволяет оценивать характерные величины проводимости и селектив­ности ионных каналов с совершенно различной структурой и пространственнойорганизацией.Данные алгоритмы реализованы в интерактивной студии моделирования,с возможностью 3D-визуализации и вычислениями на графических видеокар­тах с использованием технологии NVIDIA CUDA. Интерактивность и высокая6производительность позволяет исследователю проводить компьютерное моде­лирование системы состоящей более чем из 100 ионных каналов с временнойэволюцией до нескольких микросекунд.На основе разработанных алгоритмов и ПО была впервые предсказанаконфигурация селективного фильтра пуринергического рецептора P2X2 типас неизвестной на данный момент пространственной структурой, объясняющаяего высокую проводимость и слабую селективность к катионам (Ding, 1999),обнаружен диффузионный механизм проводимости данного канала.Теоретическая и практическая значимость.Разработанное программное обеспечение позволяет проводить компьютер­ные «patch clamp» эксперименты различной конфигурации и получать интере­сующие исследователя величины селективности и проводимости ионного кана­ла без использования дорогостоящей аппаратуры и трудоемких экспериментов.Благодаря высокой производительности возможна длительная временная эво­люция системы, что позволяет отслеживать изменения концентраций ионов инейромедиаторов в отдельных компартментах рассматриваемой системы.

Этиданные могут представлять высокую диагностическую значимость в клиниче­ской практике и существенно упрощать разработку новых лекарственных форм,целью которых являются различные ионные каналы. Кроме того, комбиниро­ванные алгоритмы моделирования, представленные в работе, могут лечь в осно­ву разработки высокопроизводительных методов для суперкомпьютеров, кото­рые позволят смоделировать целый участок нейрона и механизм ионной прово­димости на молекулярном уровне, что необходимо для создания компьютерныхмоделей как отдельных функционирующих элементов, так и всего мозга в це­лом.Положения, выносимые на защиту:∙ Разработана новая математическая модель, описывающая движение ионови нейромедиаторов в вязкой среде на основе комбинирования методов мо­лекулярной и броуновской динамики.∙ Установлено, что значение среднего квадрата скорости и перемещения бро­уновской частицы для разностных схем Эйлера и Хейна зависит от разме­ра шага, что приводит к отклонениям от температуры термостата и изме­нению коэффициента диффузии.