Исследователи из МФТИ изучили, как молекулы сахарозы — обычного столового сахара — меняют свою форму в воде. Для этого они провели масштабное компьютерное моделирование. Поведение молекулы сахара в воде играет ключевую роль в биохимических процессах, пищевой промышленности и фармакологии. Результаты работы, опубликованные в The Journal of Chemical Physics, помогут лучше понять поведение углеводов в биологических системах и при разработке новых лекарств и материалов. Исследование является продолжением статьи авторов от 2022 года.
Сахароза — одна из самых распространенных и биологически значимых молекул. Её молекулярная структура, схематично изображенная на рисунке 1, включает в себя два кольца (глюкопиранозное и фруктофуранозное), соединённых гликозидной связью. Понимание поведения сахарозы в растворах поможет улучшить дизайн лекарств, основанных на углеводных структурах. Раскрытый механизм также поможет оптимизировать производство биоматериалов на основе сахаров и разработать более точные методы компьютерного моделирования для других углеводов.
Рисунок 1. Геометрия молекулы сахарозы в кристалле, известная из экспериментальных работ, использующих методы рентгеновской дифракции. Буквами g и f отмечены глюкопиранозное и фруктофуранозное кольца, вращающиеся вокруг гликозидной связи C1g-O1g-C2f.
Работа учёных МФТИ установила новый стандарт точности в компьютерном моделировании углеводов. Она доказала, что даже в привычном сахаре скрыта сложная динамика, и представила научному сообществу надёжные методы для ее изучения. Открытие вносит существенный вклад в развитие биохимических исследований, фармакологии и технологий пищевого производства.
Рисунок 2. Поверхность свободной энергии, характеризующая переходы между конформерами гликозидной связи молекулы сахарозы в воде. Числа соответствуют характерным временам жизни конформеров, взвешенное среднее которых совпадает с экспериментальными измерениями.
В ходе исследования учёные впервые провели моделирование сахарозы в воде на микросекундных масштабах. Это позволило отследить редкие изменения её структуры. Обнаружено, что молекула сахарозы в растворе существует в трех основных конфигурациях (M0, M1, M2), изображенных на рисунке 2, причем M0 соответствует кристаллической структуре и является наиболее стабильной. Также ученые показали, что наблюдаемая геометрия молекулы сахарозы не зависит от её концентрации в воде, но время жизни каждого конформера (стабильной конфигурации) увеличивается в более концентрированных растворах.
«Вычислительные методы молекулярной динамики за последние десятилетия зарекомендовали себя как эффективный инструмент для предсказания стабильных молекулярных конформаций. Однако большинство предшествующих исследований было сосредоточено на разбавленных растворах и коротких траекториях, что ограничивало понимание конформационной динамики. Мы же изучили конформационную динамику сахарозы в водном растворе на масштабах микросекунд в молекулярном моделировании», — рассказал первый автор статьи, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем ЛФИ МФТИ, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ Владимир Дещеня.
Учёные проанализировали траектории движения атомов в растворах сахарозы разной концентрации (20%, 30% и 50%). Для проверки результатов сравнивались три компьютерные модели межатомных взаимодействий. Основное внимание уделили тому, как изменяется гликозидная связь и насколько долго сохраняются конфигурации молекулы сахарозы. Наиболее точной при описании динамики сахарозы оказалась модель OPLS-AA/1.14*CM1A-LBCC.
«Результаты исследования демонстрируют, что современные методы молекулярного моделирования не только согласуются с экспериментальными подходами, такими как ЯМР- и УФ-спектроскопии, но и позволяют выйти за пределы их возможностей. В будущем наша работа открывает возможности для моделирования более сложных углеводных систем, включая полисахариды, и их взаимодействие с белками. Конечно, подобные расчёты требуют значительных вычислительных ресурсов и передовых компетенций», — пояснил исполнительный директор Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ Николай Кондратюк.
_______________________________
Оптимизация вычислительной производительности для получения длительных МД-траекторий выполнена при поддержке РНФ № 20-71-10127. Работа по сравнению моделей взаимодействия для водных растворов, а также развитие методов расчёта поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения № 075-03-2025-662 от 17 января 2025 г. Расчёты выполнены на Soft Cluster Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ.
__________________________
Ученые Центра вычислительной физики активно участвуют в программе «Научный ментор» МФТИ. В осеннем сезоне четверо ученых Центра предлагают младшекурсникам разнообразные и интересные проекты: Алексей Хлюпин, Марина Карсанина, Илья Копаничук и Кирилл Герке. До 21 сентября студенты могут выбрать научную задачу и ментора на осенний семестр.
