Ученые смоделировали внутриклеточную среду на атомарном уровне

Японские и американские ученые построили компьютерную симуляцию внутриклеточной среды на атомарном уровне с наносекундным разрешением. Результаты работы опубликованы в журнале eLife.

Структура и динамика биологических макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты, in vitro изучены достаточно хорошо. Однако подобные опыты дают недостаточное представление о том, как различные молекулы ведут себя и взаимодействуют друг с другом в скученных условиях внутриклеточной среды (она состоит на 25–45 процентов из макромолекул, менее чем на один процент из метаболитов, остальной объем занимает вода). Наиболее широко распространена гипотеза о том, что основное влияние на макромолекулы в клетке оказывает эффект вытесненного объема. Он состоит в том, что любая макромолекула снижает объем растворителя, доступного другим макромолекулам, что повышает их эффективную концентрацию, то есть химическую активность (см. рис.). Однако точная «расстановка сил» внутри клеток в целом остается неясной.

Сотрудники Института RIKEN и Университета штата Мичиган провели компьютерное моделирование цитоплазмы одной из самых малых (около 0,4 микрометра в диаметре) известных бактерий — генитальной микоплазмы (Mycoplasma genitalium). Эта динамическая модель содержит белки, нуклеиновые кислоты (в том числе рибосомы), метаболиты, ионы и воду, состоящие из отдельных атомов (как говорится в пресс-релизе, общее число атомов модели составляет около триллиона). Для ее создания ученые воспользовались алгоритмом параллельной молекулярной динамики GENESIS собственной разработки, который они запустили на 65536-ядерном суперкомпьютере К.

Поведение молекул в модели сопоставили с симуляцией таких же молекул в разбавленном растворе. Анализ данных показал, что эффект вытесненного объема играет не столь значительную роль, как считалось ранее. Большое значение имели белково-белковые взаимодействия, обусловленные электростатическими и ван-дер-ваальсовыми силами, а также противоположной им по действию гидратацией макромолекул. Также существенную роль играли электростатические взаимодействия белков с заряженными метаболитами (такими, например, как АТФ) и ионами.

Анализ взаимодействия между разными классами макромолекул выявил значимое электростатическое отталкивание между разными молекулами РНК, а также РНК и крупными молекулярными комплексами, в первую очередь рибосомами. Отталкивание между белками и РНК или рибосомами оказалось существенно слабее. Гликолитические (расщепляющие глюкозу) ферменты, наоборот, проявляли слабое притягивание. Оно соответствует экспериментальным данным о формировании динамических комплексов для повышения эффективности многостадийных реакций (таких как гликолиз) рациональным распределением потоков субстрата.

«Наша работа выявила большие различия между условиями в пробирке и в живой клетке. Мы получили свидетельства взаимодействий, выходящих за пределы эффекта вытесненного объема, в том числе белково-белковые и электростатические взаимодействия с ионами и метаболитами. Это необходимо учитывать при интерпретации результатов исследований in vitro», — пояснил автор исследования Иссеки Ю (Isseki Yu).

Ученые рассчитывают в будущем подтвердить и уточнить полученные результаты с использованием более мощных суперкомпьютеров, которые позволят увеличить время и объемы динамической модели, а также включить в нее хромосомную ДНК и элементы цитоскелета.

Современные технологии позволяют создавать модели живых систем с высочайшим разрешением. Так, недавно соотечественникам Ю удалось смоделировать все нейрональные связи одного полушария мозга плодовой мухи дрозофилы. А сотрудники Алленовского института исследований мозга выложили в открытый доступ полный интерактивный атлас мозга с микронным разрешением.

Олег Лищук