Автореферат (1149182)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«САНКТ- ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиАНТИПИНА Александра ЮрьевнаКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИИ ДНК НА ЛИПИДНЫЙБИСЛОЙ, СОСТОЯЩИЙ ИЗ МОЛЕКУЛ ФОСФАТИДИЛХОЛИНАСпециальность 02.00.06 – Высокомолекулярные соединенияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург20162Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучный руководитель:Гуртовенко Андрей Алексеевичдоктор физико-математических наук, ведущий научныйсотрудник Лаборатории № 7 ФГБУН «Институтвысокомолекулярных соединений Российской академиинаук», (г.
Санкт-Петербург)Официальные оппоненты:Рабинович Александр Львовичдоктор физико-математических наук, старший научныйсотрудник, главный научный сотрудник Институтабиологии Карельского научного центра РАН ФАНОРоссии Федерального государственного бюджетногоучреждения науки, (г. Петрозаводск)Тимковский Андрей Леонидовичдоктор физико-математических наук, старший научныйсотрудник, зав. лабораторией биополимеров ФГБУ«Петербургский институт ядерной физики им.
Б.П.Константинова» НИЦ«Курчатовскийинститут»,(г. Гатчина, Лен. обл.)Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт биоорганической химии им. АкадемиковМ. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российскойакадемии наук, (г. Москва)Защита диссертации состоится « » _________ 2017 года в ____ часов на заседаниидиссертационного совета __________ по защите докторских и кандидатских диссертаций,созданного на базе Санкт-Петербургского государственного университета, по адресу:198504, г.
Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. 1, физический факультет СПбГУ, малыйконфренц-зал. Отзывы на автореферат просьба направлять по адресу: 198504, СанктПетербург, Петродворец, Ульяновская ул. д. 1, ученому секретарю диссертационногосовета Д 212.232.33 А.М. Поляничко.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.Горького СПбГУ и насайте Санкт-Петербургского государственного университета disser.spbu.ruАвтореферат разослан «__»_______ 2016 г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д 212.232.33кандидат физ.-мат.
наук, доцентПоляничко А.М.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияИсследованиевзаимодействиймолекулДНКсцвиттерионнымилипиднымимембранами является важной задачей как с точки зрения практического применения ДНКлипидных комплексов в генной терапии, ДНК-нанотехнологиях, так и для более глубокогопонимания биологических процессов, происходящих внутри клетки.В последние 15-20 лет наблюдается большой интерес к использованию синтетическихневирусных средств доставки ДНК (генных векторов).
Молекула ДНК являетсяполианионом и, следовательно,способна образовыватьстабильные комплексы сположительно заряженными (катионными) молекулами за счет электростатическихвзаимодействий. Одним из наиболее изученных классов таких молекул являются катионныелипиды. Однако клеточные мембраны не содержат в своём составе катионные липиды,только цвиттерионные (нейтральные) и анионные липиды. Поэтому генные векторы наоснове катионных липидов являются достаточно токсичными для клеток и организма вцелом, и в настоящее время ведутся исследования по возможной замене катионных липидовна цвиттерионные липиды, входящие в состав клеточных мембран и, следовательно, необладающие токсичностью для организма.
В частности, экспериментально было показано,что нейтральные (цвиттерионные) липиды в присутствии двухвалентных ионов металловведут себя подобно катионным. Таким образом, одним из возможных безопасных средствдоставки ДНК в клетку могут быть векторы на основе цвиттерионных липидов (вместотоксичных катионных липосом).Помимо использования цвиттерионных липосом в качестве векторов доставки ДНК вклетки исследование взаимодействий ДНК с липидами (в том числе и с цвиттерионными)представляет интерес также и с точки зрения бионанотехнологических применений. Дляисследования сложных клеточных механизмов и межклеточных взаимодействий частоиспользуют модельные липидные везикулы и комплементарные свойства ДНК для созданиягибридных систем.
Взаимодействие с биосистемами наноструктур на основе ДНКнеизбежно включает в себя взаимодействие ДНК с липидным бислоем клеточноймембраны, что подчеркивает важность ДНК-липидных взаимодействий для пониманиявлияния наноматериалов на клеточную поверхность.В целом, несмотря на большое значение, которое играют ДНК-липидныевзаимодействия, точный молекулярный механизм адсорбции ДНК на цвиттерионнуюмембрану в присутствии двухвалентных ионов и детальная структура получившегося ДНКлипидного комплекса остаются малоизученными. Более того, детальная микроскопическаяструктура комплекса “ДНК-цвиттерионные липиды” является труднодоступной для4экспериментальных методик, а существующие немногочисленные теоретические работы неописывают полную картину процесса комплексообразования.Таким образом, несмотря на большой интерес с точки зрения генной терапии,медицины и биотехнологий, микроскопические механизмы, лежащие в основе образованияДНК-липидных комплексов, являются на данный момент все еще малоизученными, чтоговорит о безусловной актуальности данной работы.Цель работы:Исследование механизма адсорбции ДНК на цвиттерионные липидные мембраны,состоящие из молекул фосфатидилхолина, с помощью атомистического молекулярнодинамического компьютерного моделирования.
Изучение взаимодействий молекул ДНК слипидными молекулами фосфатидилхолина на микроскопическом уровне и детальныйанализ структуры получившихся комплексов.Задачи исследованияВ рамках данной работы были поставлены следующие задачи:1. Получение профиля свободной энергии для систем “ДНК-липидный бислой” и “ДНКлипидный бислой с пред-адсорбированными ионами кальция”.2. ПроведениекомпьютерногомоделированияадсорбцииДНКнаповерхностьцвиттерионного липидного бислоя в присутствии ионов кальция.
Изучение структурныхи динамических характеристик образовавшегося комплекса "ДНК – липидный бислой".Установление молекулярного механизма, лежащего в основе образования комплекса.Методология и методы исследованияДля достижения поставленных задач было применено компьютерное моделированиеметодоммолекулярнойдинамикисиспользованиемвычислительныхресурсовсуперкомпьютера МГУ “Ломоносов” и компьютерного кластера ИВС РАН.Научная новизна работы1. Впервые было проведено атомистическое молекулярно-динамическое моделированиесистемыДНК-цвиттерионныйфосфатидилхолина(ФХ).Влипидныйработебылибислой,состоящийиспользованыизсовременныемолекулмоделиатомистического разрешения для ДНК (AMBERparmbsc0) и фосфолипидов (AMBERLipid14).2.
Впервые был рассчитан профиль свободной энергии для системы “ДНК-цвиттерионный липидный бислой” методом молекулярной динамики с использованиеммоделейатомистическогоразрешения.Полученпотенциальныйбарьердлявзаимодействия ДНК с липидным цвиттерионным бислоем, указывающий на отсутствиевзаимодействий ДНК с ФХ бислоем в водном растворе. В то же время показано, что5ионы кальция, адсорбированные на поверхность фосфолипидного бислоя, способствуютадсорбции ДНК на бислой.3. Впервые в работе показано, что ионы кальция играют ключевую роль в стабилизацииДНК-липидного комплекса посредством связывания фосфатных групп ДНК и липидныхмолекул. В противовес существующим гипотезам результаты исследования показали,что взаимодействия между холиновыми группами фосфолипидов и фосфатнымигруппами ДНК несущественны для стабилизации комплекса.Практическая значимость работыИсследование взаимодействий ДНК с цвиттерионными фосфолипидными молекуламипредставляет значительный интерес с точки зрения создания генных векторов доставки наоснове липосом.
К настоящему моменту экспериментально установлено, что ДНК можетобразовывать с фосфолипидами стабильные комплексы в присутствии двухвалентныхионов, однако молекулярный механизм, лежащий в основе образования комплексов,оставался неизвестным. Для исследования этого механизма в данной работе былоиспользовано атомистическое молекулярно-динамическое компьютерное моделирование.Такой подход позволил детально изучить кинетику адсорбции ДНК на цвиттерионнуюфосфатидилхолиновую мембрану в присутствии ионов кальция, также структуру истабильность образовавшегося комплекса. Установленный в работе механизм образованиястабильного ДНК-липидного комплекса в присутствии ионов кальция может бытьиспользован для оптимизации существующих генных векторов на основе липосом.Результаты данной работы важны также для более глубокого понимания молекулярныхмеханизмов, лежащих в основе нековалентных взаимодействий ДНК и наноструктур наоснове ДНК с поверхностями сложной структуры, такими как клеточные мембраны.На защиту выносятся следующие положения:1.
Цвиттерионный фосфолипидный бислой представляет собой энергетический барьер длямолекулы ДНК. Отсутствие локальных минимумов в профиле свободной энергиисвидетельствует об отсутствии притяжения между ДНК и соответствующим липиднымбислоем.2. В присутствии ионов кальция наблюдается электростатическое притяжение междумолекулой ДНК и липидным бислоем.
Адсорбированные на поверхность бислоя ионыкальция приводят к появлению минимума в профиле свободной энергии.3. Впервые установлен молекулярный механизм образования ДНК-липидного комплекса вприсутствии ионов кальция. Адсорбция ионов кальция на цвиттерионную липиднуюмембрану приводит к адсорбции ДНК и образованию контактов между фосфатнымигруппами ДНК и холиновыми группами липидов и формированию кальциевых мостиков6между фосфатными группами липидов и ДНК. Данные кальциевые мостики являютсядоминирующим фактором в стабилизации комплекса ДНК-мембрана, так как их времяжизни почти на 2 порядка больше, чем соответствующие времена для контактов междухолиновыми группами липидов и ДНК.Личный вклад автора заключался в адаптации моделей ДНК и липидного бислоя дляпрограммногопакетаGromacs,построениисистеммоделирования,проведениибольшинства компьютерных экспериментов методом молекулярной динамики, анализеполученныхрезультатовинепосредственномучастиивнаписаниистатейподруководством научного руководителя.Апробация работы и публикации: результаты данной работы были опубликованы в двухстатьях в международных рецензируемых журналах и в виде тезисов докладов намеждународных конференциях.По материалам диссертации были сделаны доклады на следующих конференциях:1.
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}
