Первая симуляция полноразмерной митохондриальной мембраны

Ученые из Университета Гронингена разработали метод, сочетающий разные уровни разрешения в компьютерной симуляции биологических мембран. Их алгоритм преобразует крупномасштабную модель, включающую такие особенности, как кривизна мембраны, в соответствующую грубозернистую молекулярную модель. Это позволило им детально изучить индуцированное токсином почкование мембраны и смоделировать полноразмерную липидную мембрану митохондрии. Их подход, опубликованный в журнале Nature Communications 8 мая, открывает путь к симуляции целой клетки на молекулярном уровне.

Молекулярно-динамическое моделирование — мощный инструмент для изучения движений и взаимодействий атомов и молекул. Однако во многих биологических процессах важны крупномасштабные изменения, например, формы мембраны. «Эти изменения формы имеют фундаментальное значение для функционирования клетки, — объясняет профессор молекулярной динамики Сьюверт-Ян Марринк. — Но временные и пространственные масштабы этих изменений слишком велики для симуляций с молекулярным разрешением».

Сложная задача

Даже рост вычислительной мощности не позволяет моделировать такие клеточные структуры, как митохондрии. Поэтому группа молекулярной динамики создала алгоритм, связывающий крупномасштабные изменения с симуляциями на молекулярном уровне. Для митохондрий они начали с карты плотности, полученной с помощью электронной микроскопии. Плотности были преобразованы в липидные структуры и использованы как входные данные для молекулярно-динамической симуляции с использованием грубозернистого силового поля Мартини (Coarse Grain, CG), ранее разработанного Марринком.

«Сложная часть — правильно разместить липиды в этой карте плотности, особенно в изогнутых областях», — добавляет постдокторант Врия Пецешкян, соавтор статьи. Алгоритм позволяет добавлять в мембрану разные типы липидов с реалистичной плотностью упаковки. Используя этот подход, ученые смоделировали всю липидную мембрану митохондрии на две наносекунды. Пецешкян: «Эта структура содержала более пяти миллионов липидов, а значит, симуляция должна была работать с 80 миллионами частиц, так как каждая молекула липида состоит из нескольких частиц».

Треугольники

По размеру и форме сложность этой симуляции превосходит все ранее выполненные. «Симуляция на микросекунды была бы возможна, но, поскольку у нас не было информации о локализации белков в митохондриальной мембране, она содержала только липиды и поэтому была нестабильна», — поясняет Марринк. Добавление этой дополнительной сложности в симуляцию вполне возможно и ведется в настоящее время.

Вместо карты плотности входными данными для системы также может быть континуальная модель, представляющая поверхность мембраны в виде треугольников из узлов, соединенных «пружинами». Такая модель может рассчитывать силы, возникающие при деформации мембраны. Преобразование липидов и белков токсинов в соответствующие части этой модели позволило ученым детально изучить молекулярное поведение в ножке мембранной почки, индуцированной совместным действием множества токсинов.

Синтетическая клетка

«Наша конечная цель — смоделировать целую эукариотическую клетку и детально изучить ее конкретные части», — говорит Марринк. Сейчас это недостижимо, хотя текущая система уже позволяет моделировать крупные внутриклеточные объекты, такие как эндоплазматический ретикулум или аппарат Гольджи. «И мы, вероятно, могли бы смоделировать эритроцит».

Простая синтетическая клетка может скоро стать достижимой целью. Марринк участвует в проекте по созданию синтетической клетки, и возможность моделировать такие процессы, как деление клетки, помогла бы в ее проектировании. «Нам очень хотелось бы узнать, какие липиды и белки могут играть роль в сужении клетки во время деления».