Моделирование предсказывает загадочные биологические процессы в клетке

Исследовательская группа Люси Делемотт, доцента вычислительной биофизики в Королевском технологическом институте KTH в Стокгольме, изучает функцию ионных каналов в клеточных мембранах. Для этого команда использует компьютерное моделирование на высокопроизводительных компьютерах, чтобы смоделировать ионные каналы, образованные белковыми молекулами, пронизывающими мембрану. Потенциал-управляемые ионные каналы, такие как натриевые или калиевые, активируются разностью потенциалов между внеклеточным матриксом и цитоплазмой клетки. При активации они открывают свои поры и позволяют ионам перемещаться через мембрану, что запускает электрическую сигнализацию.

В мышечных или нервных клетках — так называемых электрически возбудимых клетках — перенос ионов вызывает сокращение мышц и позволяет нам думать или мечтать, объясняет Делемотт. «Если функция этих каналов нарушена генетическими мутациями, это может привести, например, к эпилепсии или мышечному параличу».

Для эффективного лечения таких заболеваний важно понимать процессы, происходящие в ионных каналах. Лучшее знание их работы помогает персонализировать лечение пациентов и, прежде всего, снизить побочные эффекты лекарств.

Как именно эти каналы открывают поры для прохождения ионов или активных веществ, до конца не ясно. Однако известно, что натрий и калий или активные вещества могут проходить через ионные каналы только если их поры гидратированы. Если поры обезвожены, ионный обмен блокируется. До сих пор считалось, что поры гидратированы, когда их диаметр велик, и обезвожены, когда поры узки. «На самом деле ситуация гораздо сложнее», — говорит учёный. Широкая пора также может быть негидратированной, если её химическая природа гидрофобна.

Ключевая роль молекул воды

Учёные исследуют эти каналы экспериментально с помощью кристаллографии или крио-электронной микроскопии. Это даёт хорошее представление об их структуре, говорит Делемотт. Однако то, как молекулы воды в ионных каналах влияют на их функцию, в экспериментах наблюдать непросто. Чтобы изучить это, команда использовала моделирование молекулярной динамики на суперкомпьютере Piz Daint. Результаты были недавно опубликованы в Biophysical Journal.

На Piz Daint аспирант из команды Делемотт, Кушик Чоудхури, смоделировал предположительно открытую структуру ионного канала бактерии, как она была описана на основе экспериментов. Бактериальные каналы состоят из меньшего количества аминокислот и потому проще, чем у эукариот, что облегчает моделирование. В этой бактерии каналы содержат цепи аминокислот, расположенные в определённой структуре — так называемые α-спирали. К удивлению исследователей, моделирование показало, что в описанной модели поры не открыты и не проницаемы для ионов, а скорее закрыты.

Специальное обстоятельство помогло понять, что делает канал проницаемым: чтобы ускорить моделирование, исследователи увеличили мембранный потенциал в 5–10 раз по сравнению с реальным или экспериментально достижимым. Из-за необычно высокого электрического поля они случайно обнаружили конформационное изменение белковой цепи, формирующей пору канала. В симуляции они наблюдали, как в определённой α-спирали спонтанно образовался изгиб, который привёл к разрыву водородных связей и формированию другой структуры, известной как π-спираль. Поворот конца белка к изгибу в итоге привёл к тому, что полярная аминокислота аспарагин на конце спирали сориентировалась к поре, и произошла спонтанная гидратация поры, совместимая с ионной проводимостью.

После этого наблюдения команда Делемотт создала π-модель. Структура π-спирали менее стабильна и может существовать только при поступлении стабилизирующей энергии извне, говорит Делемотт. И действительно, π-модель показала, что поворот π-спирали с аспарагином к поре обеспечивает стабильный ионный обмен. Учёные пришли к выводу, что этот процесс вызывает гидратацию и в конечном счёте открытие поры.

Белок аспарагин сохранился в ходе эволюции и встречается в натриевых каналах бактерий, млекопитающих и некоторых водорослей. О его важности известно мало, но факт его сохранения говорит о том, что это важная аминокислота, отмечает Делемотт. «Поскольку аспарагин гидрофилен, мы считаем, что его роль в ионных каналах — гидратировать и, как следствие, открывать поры, хотя мы не наблюдали этого напрямую в наших симуляциях». Поскольку он консервативен в натриевых каналах всех организмов, исследователи предположили, что такая модель открытия может быть применима и к эукариотическим каналам — предсказание, которое вскоре подтвердилось.

Совсем недавно экспериментаторы пришли к аналогичному выводу и сообщили о превращении α-спирали в π-спираль в человеческом канале. До сих пор моделирование подтверждало эксперименты; однако «благодаря доступным нам технологиям в вычислительной науке мы достигли точки, когда наши симуляции имеют предсказательное качество. Именно это мы и показали в данном исследовании», — говорит Делемотт.