Диссертация (1149183), страница 5
Текст из файла (страница 5)
[75-77]. Эти исследования выявили первые трудности моделирования ДНК: сложно достигнуть стабильного поведе-24ния молекулы, конфигурация молекулы быстро отклоняется от начальной структурыи большой отрицательный заряд ДНК требует аккуратного расчета электростатических взаимодействий. Вследствие этого, с середины 80-х годов происходит постоянное совершенствование параметров и методов моделирования молекулы ДНК. Кнастоящему времени образовалось несколько семейств силовых полей для описаниямежатомных взаимодействий молекулы ДНК, среди которых наиболее распространенными являются Charmm и Amber.
Показано, что последняя версия Сharmm27 хорошо работает на масштабах, не превышающих 100 нс [78]. Что касается силовогополя Amber, то параметры его последней версии (Amber99) были разработаны, когдатраектории моделирования молекулы ДНК были продолжительностью не более 10нс. Однако, когда появилась возможность проводить более продолжительные моделирования, исследователями Varnai и Zakrzewska [79] были обнаружены обширныенеобратимые переходы углов α/γ в gauche+, trans геометрию (от gauche-, gauche+),которые вводят серьезные искажения в структуру ДНК.
Позднее этот эффект былподтвержден другими исследовательскими группами [80-83]. Чтобы улучшить силовое поле Amber99 была проведена параметризация углов α и γ [16]. В ходе параметризации был введен новый тип — атом CI для атома C5', чтобы ограничиться толькоизменениями параметров необходимых углов α и γ, не касаясь остальных углов. Получившееся новое силовое поле было названо Amber99-parmbsc0.На сегодняшний день параметры силового поля Amber99-parmbsc0 [16] смодификацией углов позволяют воспроизводить стабильную структуру ДНК Bформы в водном растворе на микросекундном масштабе [84, 85], а характеристики,полученныеспомощьюэкспериментальными.этогоКромеполя,того,занаилучшимгодыобразоммоделированиясовпадаютДНКссредиисследователей установился определенный протокол достижения равновесногосостояния макромолекулы и определены условия моделирования.25Несмотря на то, что ДНК является очень подвижной и сложной для изучениямолекулой, к настоящему времени проведено множество исследований наатомистистическом уровне [86 — 93].
Наиболее изученной последовательностью наданный момент является додекамер Дрю-Диккерсона (CGCGAATTCGCG)2 B-формы[76]. Эта молекула служит стандартным образцом для модификации и апробациисиловых полей. В настоящее время проведены теоретические работы, посвященныеанализу всех 136 тетрануклеотидных последовательностей олигонуклеотидов Вформы ДНК [94, 80, 81], которые дали важную информацию о зависимостиструктурных свойств ДНК от нуклеотидной последовательности. Работы покомпьютерному моделированию посвящены изучению эластичных свойств молекулы[95 — 97], исследованию влияния ионов на структурные параметры молекулы (вчастности, было показано связывание натрия с AATT участком, которое приводит ксужению малой бороздки [84]).
Проведено комплексное исследование и сравнение сэкспериментом структурных и динамических свойств додекамера ДНК, содержащеговсе азотистые основания [85]. Для анализа траекторий моделирования и описанияструктурных характеристик молекулы, таких как определение ширин бороздок,параметров внутри пары оснований и между парами оснований, в настоящее времяиспользуют программы X3DNA [98] и Curve+ [99]. Кроме того, совсем недавно былразработан модуль программы Curve+ для описания ионного окружения Canion,которыйспособендатьтруднодоступнуюдляэкспериментальныхметодикинформацию о точном местонахождении и времени пребывания ионов вокрестностях ДНК [100]. Таким образом, методы компьютерного моделированиямолекулы ДНК в настоящее время способны описать структурные свойствамолекулы, её ионное окружение, взаимодействия с лигандами, проявляющиеся намикросекундном масштабе.26Что касается липидных бислоев, компьютерное моделирование методом молекулярной динамики в последнее время является одним из наиболее точных методовисследования липидных бислоев.
Как известно, фазовое состояние липидного слоясильно зависит от температуры. В физиологических условиях липидные слои в основном находятся в неупорядоченном жидкокриссталлическом состоянии. Это препятствует исследованию структуры бислоя на атомистическом уровне при помощистандартных экспериментальных методик, таких как дифракция. Из-за сложностиизучения таких систем в определенном фазовом состоянии, методы компьютерногомоделирования являются идеальным инструментом для исследования. Кроме того,экспериментальные измерения структурных и динамических свойств липидов даютсредние величины системы и не всегда могут дать полную картину об отдельном липиде и его взаимодействиях.Первые работы по компьютерному моделированию биомембран появились вначале 80-х [101, 102] и были выполнены с простой моделью липидов, без водногоокружения.
С развитием компьютерных технологий, количество работ значительноувеличилось, и в настоящее время изучение липидных бислоев на атомистическомуровне является обычной практикой [103]. Если в области моделирования ДНКнаибольшую популярность приобрели два силовых поля CHARMM27 и Amber99, тов случае липидов существует большее разнообразие. Корректность силовых полейопределяется сравнением с экспериментально полученными характеристиками,главным образом, с площадью, приходящуюся на один липид.
Новейшими силовымиполями на сегодняшний день являются SLipids, CHARMM, GROMOS, OPLS и полясемейства Amber — GAFF и Lipid14 [17, 103 — 105].В области компьютерного моделирования комплексов ДНК с цвиттерионнымибислоями существует ограниченное количество работ [106 —110]. Для того чтобыустановить механизм образования комплекса была применена модель Пуассона-27Больцмана, которая показала, что ионы кальция перераспределяются от ДНК клипидному бислою. Недостатком этой работы является то, что используемая модельне дает детального описания взаимодействий ДНК с липидами, участвующими приобразовании комплекса [14, 15]. К настоящему времени существуют одна работа поисследованию взаимодействия ДНК с цвиттерионным бислоем, выполненная наатомистическомуровнедетализации,однакозадачиэтойработыбылипреимущественно направлены на изучение процесса электропорации [109].
Крометого, существует ограниченное количество работ по компьютерному моделированиювзаимодействия ДНК с цвиттерионным/катионным бислоем [108, 110]. Недостаткомэтих работ является либо слишком короткое время проведенного моделированиялибо использование крупнозернистой модели, что не позволило в полной мереизучить взаимодействия ДНК с катионным/цвиттерионным бислоем. Данныемолекулярно-динамического моделирования выявили существенную роль не толькокатионных липидов, но и головных групп цвиттерионных липидов в нейтрализацииотрицательных зарядов фосфатных групп остова ДНК, и, следовательно, вобразовании комплекса.Таким образом, на данный момент нет работ по исследованию взаимодействияДНКсцвиттерионнойлипидноймембранойметодомкомпьютерногомоделирования, описывающих взаимодействия ДНК с липидами, и представляющихточный механизм образования комплекса.
В то же время современное состояниеметодовкомпьютерногомоделированияпозволяетисследоватькинетикуиструктурные характеристики ДНК-липидного комплекса на атомистическом уровне.В связи с этим, в данной работе были использованы современные моделиатомистическогоразрешенияидоступныенасегодняшнийденьметодыкомпьютерного моделирования, которые позволили провести детальный анализпроцесса комплексообразования ДНК и липидной мембраны.28ГЛАВА 2. Используемые методы и подходыДля проведения исследований взаимодействия молекулы ДНК с липиднымбислоем,состоящимизмолекулфосфатидилхолина,использованметодмолекулярной динамики.
В настоящее время данный метод является одним изнаиболее важных инструментов теоретического изучения структуры и динамикибиологических систем. В данной работе для проведения атомистическогомолекулярно-динамическогокомпьютерногомоделированияиспользованспециализированный пакет молекулярной динамики Gromacs [111]. Данныйпрограммныйпакетобеспечиваеточеньвысокуюпроизводительностькомпьютерных расчетов при моделировании биологических систем.
Все вычислениябыли проведены на суперкомпьютере "Ломоносов" Московского государственногоуниверситета и кластере Института Высокомолекулярных Соединений РАН.Для описания молекул ДНК и фосфатидилхолина в водном раствореиспользовались реалистичные атомистические модели, которые в явном видеучитывают химическую структуру компонентов системы (ДНК, липиды, молекулыводы, ионы). В работе использована наиболее изученная в области компьютерногомоделированияпоследовательностьДНК—двухнитевойдодекамерДрю-Диккерсона (CGCGAATTCGCG)2. Данная последовательность включает в себя всеазотистые основания, что позволяет систематически изучить взаимодействияотдельных участков фрагмента ДНК с фосфатидилхолиновыми липидами.
Дляописания потенциала взаимодействия молекулы ДНК использовалась современнаяверсия силового поля Amber99parmbsc0 с модификацией углов [16]. Так какпотенциалы взаимодействия всех компонентов системы должны быть совместимы,для молекулы фосфатидилхолина ПОФХ (пальметоилолеоилфосфатидилхолин)применяется новое силовое поле Amber Lipid14 для липидов [17].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
