Ученые из МФТИ создали метод моделирования, способный с высокой точностью и относительно быстро описывать “ответные реакции” клеточных мембран на молекулы лекарств и токсинов, что позволит заранее, без всяких экспериментов просчитывать влияние препаратов на клетки. Исследование опубликовано в Journal of Chemical Theory and Information.
«Особенность нашего метода в том, что он обеспечивает полное численное описание изменений в молекуле. Мы можем отслеживать положение сразу всех атомов, при этом каждому варианту структуры присваивается значение, которое можно использовать для статистического анализа», — говорит ведущий автор исследования Иван Гущин, заведующий лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем, созданной в Центре исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ в рамках проекта 5топ100.
Моделировать поведение биологических молекул крайне затруднительно, поскольку нужно описывать движение каждого ее атома — даже для небольшой молекулы из 54 атомов получится 156 наборов чисел. Огромные массивы информации, полученные в результате моделирования, сложно и долго обрабатывать и интерпретировать.
Группа под руководством Гущина нашла способ значительно упростить анализ результатов моделирования, при этом почти не потеряв в точности описания движения. Авторы исследования использовали для обработки исходящих данных метод главных компонент — способ обработки, который выделяет из данных наиболее существенные. Это в 10 раз сократило объем данных, а точность снизилась лишь на 10%.
Метод был проверен на липидной молекуле DOPC (диолеоилфосфатидилхолин), хорошо изученной экспериментально. Для моделирования было выбрано восемь разных силовых полей — наборов параметров для описания взаимодействия всех атомов. Одни силовые поля описывают взаимодействия между атомами очень подробно, другие — грубо и приближённо. После этого к полученным данным авторы применяли метод главных компонент.
Оказалось, что для описания движения молекулы из 54 атомов достаточно всего 14 «компонент», то есть совместных движений какой-то группы атомов в молекуле. Одна из компонент, к примеру, отвечает за движение двух “хвостов” у молекулы DOPC в разные стороны, наподобие ножниц.
Два варианта главных компонент движения молекулы. “Компактная” и “развернутая” структуры показаны красным и синим соответственно, промежуточные структуры — оттенками фиолетового. Изображение любезно предоставлено авторами исследования.
Из молекул липидов строится клеточная мембрана,а любые молекулы, чтобы подействовать на клетку, должны преодолеть её. Поэтому изучение поведения липидов с точностью до отдельных атомов поможет “не вставая из-за компьютера” предсказывать влияние лекарств, токсинов на клетки и организм в целом, а следовательно значительно ускорить поиск новых лекарственных веществ и испытания препаратов. Помимо этого моделирование может помочь в исследовании механизмов старения, механизм которого, по некоторым предположениям, связан с изменением структуры мембран клеток.
Структура молекулы DOPC, изучаемой авторами. Слева — химическая структура молекулы, справа — возможные положения молекулы в пространстве. Изображение любезно предоставлено авторами исследования.
