Электростатическое притяжение направляет движение кинезинов по микротрубочкам
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego) совместно с учёными из США, Великобритании и Польши выяснили, как молекулы моторного белка кинезина движутся по микротрубочкам — своеобразным клеточным «рельсам». Результаты, опубликованные в ноябре 2011 года в журнале PLoS Biology, важны для понимания причин остановки этого транспорта, связанной с такими болезнями, как Альцгеймер.
Кинезины играют ключевую роль в расхождении хромосом при делении клетки. Существующие противораковые препараты, например таксаны и алкалоиды барвинка, нацелены именно на эту транспортную систему в быстро делящихся раковых клетках.
Кинезины используют химическую энергию гидролиза АТФ (аденозинтрифосфатазы). С помощью вычислительных ресурсов Triton Resource в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего (SDSC) учёные смоделировали, как «двигатели» кинезинов перемещают груз по микротрубочкам. Оказалось, что электростатическое притяжение между «двигателем» и «рельсом» критически важно для работы этой системы.
«Точно понять, как моторные белки кинезины движутся по своим микротрубочкам, — важный вопрос в биологии», — отмечает старший автор работы Дж. Эндрю Маккаммон.
Известно, что некоторые кинезины имеют две «головки», которые координированно «шагают». Однако чаще у кинезина только одна головка, и механизм её движения был плохо изучен. Исследование, поддержанное NIH и NSF, показало, что электрическое притяжение между одиночной головкой кинезина и микротрубочкой определяет направление движения: при каждом сближении головка проскальзывает вперёд за счёт этого притяжения.
Значение для наноинженерии
«Эта работа показывает, что вычислительные методы можно использовать для рационального дизайна мутантных молекулярных моторов с изменёнными электростатическими свойствами, которые смогут регулировать скорость движения», — сказал исследователь Барри Дж. Грант.
Ускорение движения может означать более эффективную доставку груза, возможно, с помощью лекарств. Замедление позволяет изучить общие принципы направленного движения на молекулярном уровне, что важно для будущих наноинженерных проектов. Дефекты в работе моторных белков (замедление или остановка) связаны с рядом заболеваний: нейродегенерацией, опухолеобразованием и пороками развития.
Для моделирования требовались значительные вычислительные ресурсы: каждая симуляция занимала около 7 ГБ оперативной памяти на ядро, а анализ наборов данных достигал почти 2 ТБ.
«В конечном счёте, создание молекулярных моторов по заданным спецификациям предоставит мощный инструментарий для терапевтической доставки и нанотехнологий», — заявил Маккаммон.
Triton Resource, обладающий кластером на 2000 процессоров, уникальным кластером с «большой памятью» и высокопроизводительной системой хранения данных, доступен для исследователей из академической среды, частной промышленности и государственных организаций.