Автореферат (1102343)
Текст из файла
На правах рукописиТолстова Анна ПавловнаАНАЛИЗ ДАННЫХ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ СПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯСпециальность 03.01.02 – «Биофизика»,АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20151Работа выполнена в МГУ им М.В. Ломоносова, Физический факультет,Кафедра биофизикиНаучные руководители:Официальные оппоненты:Ведущая организация :Твердислов Всеволод Александрович, докторфизико-математических наук, профессор.Дубровин Евгений Владимирович, кандидатфизико-математических наук.Мазо Михаил Абрамович, кандидат физикоматематических наук, старший научныйсотрудник, руководитель группы Институтахимической физики им.
Н.Н.Семенова РАН,Быстров Владимир Сергеевич, докторфизико-математических наук, ведущийнаучный сотрудник, руководитель Группыкомпьютерного моделирования молекулярныхнаноструктур и биосистем ОПИТ Институтаматематических проблем биологии РАНИнститут Биохимической физики им. Н.М.Эмануэля Российской академии наукЗащита состоится 17 декабря 2015 года в 17-00 на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственномуниверситете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 2, физический факультет МГУ, ЦФАС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова и на сайтедиссертационного совета http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovetD501-002-11/Автореферат разослан _________________________________________(дата)Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наукСидорова Алла Эдуардовна2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.
В настоящее время трехмерная структура белков ибелковых комплексов является объектом изучения сразу несколькихобластейнауки,отструктурнойбиологиидобиоинженерииибиоинформатики. В связи с ростом производительности компьютеров сталовозможным производить весьма сложные и ресурсоемкие компьютерныеэксперименты по изучению трехмерной структуры белков с атомистическимразрешением. Компьютерное моделирование, а именно молекулярнаядинамика, метод Монте-Карло и докинг, сдвинули фокус в изучениибелковых структур и их конформационных изменений от экспериментов ктеории.Однако, далеко не все известные науке белки могут участвовать в моделях.Исходными данными для компьютерных экспериментов служат данныевысокогоразрешенияреальныхэкспериментов,аименнорентгеноструктурного анализа (РСА) и ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).Появление каждой структуры в компьютерных банках данных структурбелков - трудоемкий и долгий процесс.
При этом, большие белки неисследуются методом ЯМР, а РСА позволяет получить структуру толькомалоподвижныхчастей белков, оставляя на месте подвижных частейпробелы. Следует также отметить, что методы секвенирования последнихлет позволяют накапливать данные об аминокислотной последовательностибелковcэкспоненциальнорастущейскоростью.Наблюдаетсявсевозрастающий разрыв между количеством известных последовательностей иколичеством известных структур.
Для устранения этой проблемы возниклацелая наука по предсказанию структур белков по их аминокислотнойпоследовательности. На данный момент стало возможным предсказатьструктуруотдельныхнебольшихпропусковваминокислотнойпоследовательности трехмерных структур белков, полученных методом РСА.Тем не менее, существуют работы, доказывающие, что предсказанные3структуры близки скорее к своим прототипам, т.е. как правило кгомологичнымбелкам,чемкбелку-цели,апоэтомутребуютэкспериментальной верификации. Все вместе это характеризует некоторуюпроблемувобластиструктурнойбиологии:появилисьновыемногообещающие и быстрые методы компьютерного моделирования,которые,темнеменее,оказываютсянапрямуюзависимыотэкспериментальных данных.Наиболее адекватным экспериментальным методом, позволяющим изучатьконформационные особенности отдельных крупных белков и белковыхкомплексов in vitro и в режиме реального времени является атомно-силоваямикроскопия(АСМ).Вкачестведостоинствследуетупомянутьотносительную простоту и дешевизну метода, а в качестве недостатка низкое разрешение и необходимость адсорбции на поверхность объектовизучения.
В последние годы ряд работ по модификации поверхностей дляАСМ позволил существенно увеличить возможности метода. Становитсявозможным различать отдельные домены в структуре единичной белковоймолекулы, узнавать их характерные размеры. Исследовать структуру,свойства особенности и процесс формирования белковых комплексов.Цель данной работы - выяснить физические особенности взаимодействиякласса белков, имеющих неструктурированные участки, in vitro и в условияхпространственных ограничений (на подложке) с помощью атомно-силовоймикроскопии и полноатомной молекулярной динамики для развитияметодологии анализа данных (преодоление молекулярного разрешения, учётароли подложки) атомно-силовой микроскопии.Для этого были выбраны два белка, σ70-субъединица РНК-полимеразыEscherichia coli и фибриноген человека.
Оба белка обнаруживают склонностьк амилоидному фибриллообразованию в нативных условиях, которое былохорошо изучено в АСМ-исследованиях. Оба белка имеют пропуски в4трехмерной структуре: у фибриногена отсутствует информация об αС-цепях,предполагаемых участках связывания между белками внутри фибриллы. Всвязи с этим, в данной диссертации исследовался процесс адсорбции одноймолекулы фибриногена на различные по своим физическим свойствамповерхности методами АСМ и молекулярной динамики с последующимсравнением полученных результатов.У σ70-субъединицы РНК-полимеразы E.coli не расшифрованы два небольшихучастка внутри белковой глобулы. В данной работе исследовалосьфибриллообразование σ70-субъединицы методами АСМ и компьютерногомоделирования с последующим сравнением результатов.Для выяснения возможной применимости результатов компьютерногомоделирования к трактовке и повышения информативности данных АСМбыло проведено моделирование адсорбции молекулы белка лизоцима изкуриного белка, и сравнение полученных результатов с данными АСМ.Лизоцим хорошо изучен и не имеет пропусков в структуре.В соответствии с вышеизложеннойцельюбыли сформулированыследующие задачи:Были поставлены следующие научные задачи:1) Анализ состояния методов молекулярной динамики и атомносиловой микроскопии в приложении к исследованию классабелков с неструктурированными участками.2) Разработка метода молекулярной динамики в приложении ксравнению данных с данными атомно-силовой микроскопии3) Исследование биологически важных конформаций класса белков,имеющихнеструктурированныеучастки,методамимолекулярной динамики и атомно-силовой микроскопии1.Научная новизнаВпервые построена молекулярная модель фибриллы σ70-субъединицы РНК полимеразы E.coli.52.Впервыепостроеныσ70-субъединицымоделиРНКполимеразы E.coli с восстановленными участками структуры приразной ионной силе.3.ПостроенамодельсинтетическоймолекулыGraphiteModifier(GM).4.Впервые промоделирована адсорбция GM на поверхностьграфита.5.Впервыепостроенамодельслюды,покрытойгексаметилдисилозаном.6.Получена модель адсорбции лизоцима на поверхностьслюды.7.Предложенметодполучениятопологииповерхностиадсорбированного белка.Научная и практическая значимость работыРезультаты работы имеют как практическую, так и научную значимость.Результатыэкспериментов,связываниямолекулформирующихструктурыаименновыяснениеσ70-субъединицытипа«бусинаРНКнахарактерныхполимеразынити»,местE.сoli ,которыезатемпредположительно сворачиваются в спираль, формирующую фибриллу,представляют ценность как для ученых, занимающихся исследованиемкомплекса бактериальной РНК полимеразы и выяснением свойств и функцийотдельных белков в этом комплексе, так и для ученых, решающих общую длямногих белков проблему возникновения амилоидных фибрилл.Данные об адсорбции фибриногена на различные поверхности хорошокоррелируют с данными АСМ-исследований и дополняют их, позволяясделать вывод о характере взаимодействия с подложками αС-цепей,подтверждая таким образом одну из двух теорий, разрабатываемых наданный момент ведущими учеными в этой области.
Поскольку сами αС-цепине фигурировали в компьютерном исследовании, выполненная работа6открывает перспективы для повышения точности и адекватностиметодамолекулярной динамики.Данные об адсорбции лизоцима на поверхность слюды позволяют вперспективе перейти кавтоматическому объединению данных АСМ имолекулярной динамики и повышению информативности АСМ.Все вместе проведенные компьютерные и АСМ эксперименты представляютнаучную иметодологическую ценность, внося вклад в развитие обоихметодов и показывая перспективность объединения их результатов.1)Положения, выносимые на защитуМолекулярные модели фибриллσ70-субъединицыполимеразыE.coli,позволяющиеисследоватьранниеРНКстадииамилоидоза.2)Уточненныемолекулярныемоделиσ70-субъединицыРНКполимеразы E.coli с восстановленными участками в водной среде приразных уровнях ионной силы, позволяющие исследовать процесссамоингибирования белка при высоких концентрациях солей.3)Молекулярные модели адсорбированных белков фибриногена илизоцима на поверхности слюды и других исследуемых в АСМподложек.4)Молекулярныемоделиподложексвежесколотогографита,графита, покрытого слоем молекул GM, свежесколотой слюды ислюды, покрытой гексаметилдисилозаном, позволяющие проводитьмоделирование адсорбции белков.5)Методполучениятопологииповерхностимолекулярныхмоделей адсорбированных белков.Личный вклад диссертантаАСМ-изображения лизоцима получены и обработаны автором лично.Все модели в среде Gromacs построены автором лично.7Параметризация подложек и подбор парциальных зарядов, а такжеконструирование новых молекул и подложек проведены автором лично.Построение топологий поверхности адсорбированных белков и сравнение сданными АСМ проведено автором лично.Данные АСМ по адсорбции фибриногена на исследуемые поверхностиполучены совместно с Протопоповой Анной Дмитриевной.Данные АСМ по фибриллообразованию сигма-фактора получены совместнос Кузьминой Натальей Викторовной.Модели в среде NAMD построены совместно с Оферкиным ИгоремВладимировичем.Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, полученыавтором самостоятельно.Апробация работы.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
