Диссертация (1149183)
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 соединенияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико–математических наукГуртовенко А.А.Санкт-Петербург20162ОглавлениеВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................................................. 3ГЛАВА 1.
Литературный обзор ............................................................................................................ 101.1. Векторы доставки генетического материала ........................................................................... 101.2. Векторы доставки на основе липосом...................................................................................... 121.3.
Экспериментальные исследования цвиттерионных липидов и молекул ДНК ..................... 141.4. Компьютерное моделирование ДНК и липидного бислоя. .................................................... 22ГЛАВА 2. Используемые методы и подходы ...................................................................................... 28ГЛАВА 3. Взаимодействие ДНК с липидным бислоем ПОФХ ........................................................ 36ГЛАВА 4.
Взаимодействие ДНК с липидным бислоем ПОФХ в присутствии ионов кальция. .... 404.1. Липидный бислой ПОФХ - Ca2+ ............................................................................................... 404.2. ДНК-липидный комплекс. Энергия связывания комплекса. .................................................. 444.3. Молекулярный механизм образования ДНК-липидного комплекса в присутствии ионовкальция. .............................................................................................................................................. 474.4.
Связывание ДНК с бислоем с пред-адсорбированными ионами кальция ............................ 65ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................................................... 71СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................................................... 723ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияИсследование взаимодействий молекул ДНК с цвиттерионными липиднымимембранами является важной задачей как с точки зрения практического примененияДНК-липидных комплексов в генной терапии, ДНК-нанотехнологиях, так и дляболее глубокого понимания биологических процессов, происходящих внутри клетки.В последние 15-20 лет наблюдается большой интерес к использованиюсинтетических невирусных средств доставки ДНК (генных векторов) [1-8].
МолекулаДНК является полианионом и, следовательно, способна образовывать стабильныекомплексы с положительно заряженными (катионными) молекулами за счетэлектростатических взаимодействий. Одним из наиболее изученных классов такихмолекул являются катионные липиды [9-11]. Однако клеточные мембраны несодержат в своём составе катионные липиды, только цвиттерионные (нейтральные) ианионные липиды. Поэтому генные векторы на основе катионных липидов являютсядостаточно токсичными для клеток и организма в целом, и в настоящее времяведутся исследования по возможной замене катионных липидов на цвиттерионныелипиды, входящие в состав клеточных мембран и, следовательно, не обладающиетоксичностью для организма. В частности, экспериментально было показано, чтонейтральные (цвиттерионные) липиды в присутствии двухвалентных ионов металловведут себя подобно катионным [12]. Таким образом, одним из возможныхбезопасных средств доставки ДНК в клетку могут быть векторы на основецвиттерионных липидов (вместо токсичных катионных липосом).Помимо использования цвиттерионных липосом в качестве векторов доставкиДНК в клетки исследование взаимодействий ДНК с липидами (в том числе и с цвит-4терионными) представляет интерес также и с точки зрения бионанотехнологическихприменений [13].
Для исследования сложных клеточных механизмов и межклеточных взаимодействий часто используют модельные липидные везикулы и комплементарные свойства ДНК для создания гибридных систем. Взаимодействие с биосистемами наноструктур на основе ДНК неизбежно включает в себя взаимодействие ДНКс липидным бислоем клеточной мембраны, что подчеркивает важность ДНКлипидных взаимодействий для понимания влияния наноматериалов на клеточнуюповерхность.В целом, несмотря на большое значение, которое играют ДНК-липидныевзаимодействия, точный молекулярный механизм адсорбции ДНК на цвиттерионнуюмембранувприсутствиидвухвалентныхионовидетальнаяструктураполучившегося ДНК-липидного комплекса остаются малоизученными.
Более того,детальная микроскопическая структура комплекса “ДНК-цвиттерионные липиды”является труднодоступной для экспериментальных методик, а существующиенемногочисленные теоретические работы не описывают полную картину процессакомплексообразования [14, 15].Таким образом, несмотря на большой интерес с точки зрения генной терапии,медицины и биотехнологий, микроскопические механизмы, лежащие в основеобразования ДНК-липидных комплексов, являются на данный момент все ещемалоизученными, что говорит о безусловной актуальности данной работы.Цель работы:Исследование механизма адсорбции ДНК на цвиттерионные липидные мембраны,состоящиеизмолекулмолекулярно-динамическогофосфотидилхолина,компьютерногоспомощьюатомистическогомоделирования.Изучениевзаимодействий молекул ДНК с липидными молекулами фосфатидилхолина намикроскопическом уровне и детальный анализ структуры получившихся комплексов.5Задачи исследованияВ рамках данной работы были поставлены следующие задачи:1.
Получение профиля свободной энергии для систем “ДНК-липидный бислой” и“ДНК-липидный бислой с пред-адсорбированными ионами кальция”.2. Проведение компьютерного моделирования адсорбции ДНК на поверхностьцвиттерионного липидного бислоя в присутствии ионов кальция. Изучениеструктурных и динамических характеристик образовавшегося комплекса "ДНК –липидный бислой". Установление молекулярного механизма, лежащего в основеобразования комплекса.Методология и методы исследованияДля достижения поставленных задач было применено компьютерное моделированиеметодом молекулярной динамики с использованием вычислительных ресурсовсуперкомпьютера МГУ “Ломоносов” и компьютерного кластера ИВС РАН.Научная новизна работы1.
Впервые было проведено атомистическое молекулярно-динамическое моделирование системы ДНК-цвиттерионный липидный бислой, состоящий из молекулфосфатидилхолина (ФХ). В работе были использованы современные модели атомистического разрешения для ДНК (AMBERparmbsc0 [16]) и фосфолипидов(AMBER Lipid14 [17]).2. Впервые был рассчитан профиль свободной энергии для системы “ДНК - цвиттерионный липидный бислой” методом молекулярной динамики с использованиеммоделей атомистического разрешения. Получен потенциальный барьер для взаимодействия ДНК с липидным цвиттерионным бислоем, указывающий на отсутствие взаимодействий ДНК с ФХ бислоем в водном растворе. В то же время показано, что ионы кальция, адсорбированные на поверхность фосфолипидногобислоя, способствуют адсорбции ДНК на бислой.63.
Впервые в работе показано, что ионы кальция играют ключевую роль в стабилизации ДНК-липидного комплекса посредством связывания фосфатных групп ДНКи липидных молекул. В противовес существующим гипотезам результаты исследования показали, что взаимодействия между холиновыми группами фосфолипидов и фосфатными группами ДНК несущественны для стабилизации комплекса.Практическая значимость работыИсследованиевзаимодействийДНКсцвиттерионнымифосфолипиднымимолекулами представляет значительный интерес с точки зрения создания генныхвекторов доставки на основе липосом. К настоящему моменту экспериментальноустановлено, что ДНК может образовывать с фосфолипидами стабильные комплексыв присутствии двухвалентных ионов, однако молекулярный механизм, лежащий воснове образования комплексов, оставался неизвестным. Для исследования этогомеханизма в данной работе было использовано атомистическое молекулярнодинамическое компьютерное моделирование.
Такой подход позволил детальноизучить кинетику адсорбции ДНК на цвиттерионную фосфатидилхолиновуюмембрану в присутствии ионов кальция, также структуру и стабильностьобразовавшегося 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 пониманиямолекулярных механизмов, лежащих в основе нековалентных взаимодействий ДНКи наноструктур на основе ДНК с поверхностями сложной структуры, такими какклеточные мембраны.На защиту выносятся следующие положения:1. Цвиттерионный фосфолипидный бислой представляет собой энергетическийбарьер для молекулы ДНК.
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}
