Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
В помощь читателю
Миллисекунды
Микросекунды
Наносекунды
Пикосекунды
Фемтосекунды
Аттосекунды
Зептосекунды
Йоктосекунды
От секунды до года
Астрономические времена
Сонолюминесценция
Фолдинг белков
Физическая основа жизни
Главная и боковые цепи
«Жизнь» белковой молекулы
Компьютерное моделирование фолдинга
Возбужденные атомы
Ядерные распады
Элементарные частицы
Движение континентов
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram





Главная / Масштабы: времена / Фолдинг белков / Компьютерное моделирование фолдинга

Фолдинг белков: 4. Компьютерное моделирование фолдинга

Дождитесь загрузки виджета хронологической шкалы.

Для просмотра необходимо включить JavaScript.

Моделирование фолдинга белков методом молекулярной динамики

███  — типичные времена биофизических процессов
  — достижения в моделировании фолдинга белков

Для хорошего понимания того, какими свойствами обладает и как работает белок, ученым совершенно необходимо научиться его моделировать на атомарном уровне. Компьютерное моделирование процесса укладки белка и его последующей «жизни» — важнейшая часть этой грандиозной задачи.

В биологии это делается методами молекулярной динамики (МД). В этом подходе считается, что отдельные атомы — это просто шарики с некоторым законом взаимодействия друг с другом. Если задать начальные координаты и скорости атомов, то дальше всё движение будет происходить по законам механики под действием только этих сил. А это значит, что его можно просчитать на компьютере. Шаг по времени традиционно выбирают равным 1 фемтосекунде; это позволяет просчитать даже самые быстрые атомные колебания и избежать артефактов дискретизации.

Дальше уже, зная количество атомов в моделировании и доступных компьютерные мощности, можно оценить те временные масштабы, которые достижимы на компьютерах. Каждый шаг по времени — это вычисление нескольких сил и смещения для каждого атома. Даже для небольшой белковой молекулы это дает многие тысячи операций за один шаг. Одна наносекунда — это миллион шагов по времени и десятки миллиардов операций, и всех их надо выполнить для того, чтобы промоделировать то, как только-только начинает формироваться структура белка!

В самой первой статье на эту тему, вышедшей в 1977 году, сообщалось про моделирование небольшой белковой глобулы БПТИ в течение всего лишь 9 пикосекунд (9000 шагов моделирования). Никакого движения белка как такового увидеть там, конечно, не удалось; в статье было лишь отмечено, что некоторые атомы довольно быстро оптимизируют свое положение относительно соседей. Однако метод работал! Подробнее про раннюю историю МД-моделирования см. в статье Молекулярная динамика биомолекул. Часть I. История полувековой давности.

Два года спустя было промоделировано уже почти 100 пс жизни этой же молекулы. Затем по мере развития вычислительных мощностей время моделирования и доступные размеры молекул неуклонно росли. В 90-е годы были достижимы уже наносекунды (миллионы шагов по времени), но для полного фолдинга белка этого, конечно, мало.

В 2000-х был достигнут уже микросекундный диапазон (миллиард шагов по времени). Например, в работе 2009 года было промоделировано 10 микросекунд из жизни небольшого белкового домена WW, одного из самых быстро укладывающихся белков.

Суперкомпьютер Anton, предназначенный для моделирования фолдинга белков

Суперкомпьютер Anton, предназначенный для моделирования фолдинга белков. Изображение с сайта heise.de

Прорывом в этой области стал суперкомпьютер Anton, специально созданный для задач МД-моделирования белков. В статье 2010 года сообщалось сразу о миллисекундном моделировании нескольких небольших белков (см. подробности в статье Миллисекундный барьер взят!). Исследователи впервые пронаблюдали не только полноценный фолдинг белка, но и на примере БПТИ отследили все основные этапы его эволюции — от оптимизации боковых цепочек в пикосекундном диапазоне и до перехода между разными конфигурациями костяка на микросекундном масштабе. С тех пор новости от этой группы поступают регулярно. Например, недавно они промоделировали 8 миллисекунд из жизни белка убиквитина. Авторы отметили, что за это время он не только успел полностью свернуться, но и даже пару раз прошел через цикл распаковки и упаковки. Таким образом, ученым стала доступна в МД-моделировании и последующая жизнь белка в его естественной среде.

Надо еще сказать, что кроме увеличения длительности моделирования ученые увеличивают и объемы, т. е. исследуют поведение очень большого числа атомов, пусть и на не столь длительном промежутке времени. Здесь тоже есть впечатляющие достижения. Например, в 2005 году в масштабном моделировании более чем с двумя миллионами молекул было прослежено 2 наносекунды из жизни рибосомы — молекулы, которая осуществляет синтез белков, считывая информацию с РНК. Авторы проследили, как именно рибосома осуществляет критические операции во время декодирования РНК, что именно в ней поворачивается в какой момент и что за чем следует.

Год спустя был опубликован другой интересный пример: 50-наносекундное моделирование вируса-сателлита табачной мозаики в водном растворе (см. новость Построена компьютерная модель живого организма на атомном уровне и некоторые дополнительные подробности). Среди прочего были отслежены некоторые этапы «физиологии» вируса: потоки воды внутрь и наружу капсидной оболочки, перемещение ионов внутри капсида и прикрепление ионов магния к вирусной РНК и т. п. В каком-то смысле можно сказать, что жизнь — правда, пока лишь в облике вируса — стала доступна компьютерному моделированию.

МД-моделирование вируса табачной мозаики в водном растворе

МД-моделирование вируса табачной мозаики в водном растворе. Изображение из статьи P. Freddolino et al., 2006. Molecular Dynamics Simulations of the Complete Satellite Tobacco Mosaic Virus

Напоследок надо еще сказать вот что. Компьютерное моделирование фолдинга белка — это одна из тех немногих задач современной науки, где любой желающий может приобщиться к серьезным исследованиям и, может быть, даже совершить маленькое открытие. Это стало возможным благодаря «научной игре» Fold.it, в которой каждый может попробовать свои силы в решении нетривиальной задаче оптимальной упаковки белковых молекул. С одной стороны, сама программа выполняет многие стандартизированные шаги по оптимизации, но с другой стороны, человек может направлять этот компьютерный процесс в нужном ему русле. Получается этакий симбиоз человеческой интуиции и компьютерных вычислительных мощностей. На этом пути уже были достигнуты некоторые успехи и даже опубликованы научные статьи, в соавторах которых числятся и «игроки Fold.it»; подробнее об этом читайте в новости Помогать науке можно играя.

Скриншот игры Fold.it, благодаря которой любой желающий может попробовать свои силы в оптимальной упаковке белковых молекул
Скриншот игры Fold.it, благодаря которой любой желающий может попробовать свои силы в оптимальной упаковке белковых молекул

Назад: «Жизнь» белковой молекулы  |  Далее: Возбужденные атомы

 

Комментарии (1)
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия