Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 11
Текст из файла (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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
