Моделирование геометрически точных клеточных мембран, состоящих из миллиардов атомов...

«Моделирование геометрически точных многомиллиардных клеточных мембранных структур» — Ноа Требеш, Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн Мембраны играют фундаментальную роль в функционировании и структуре клеток и органелл, и моделирование методом молекулярной динамики (МД) потенциально может дать глубокое понимание основных физических и биохимических процессов, определяющих их поведение. Однако до настоящего времени моделирование клеточных мембран методом МД было крайне ограничено из-за геометрической сложности и огромных размеров таких мембран. Для преодоления этих ограничений мы разработали xMAS (Experimentally-Derived Membranes of Arbitrary Shape) Builder — программное обеспечение, предназначенное для преобразования трехмерных сеток низкого разрешения, полученных экспериментальными методами, в атомистические модели мембран, которые можно моделировать с помощью МД. В первом применении этого программного обеспечения мы использовали экспериментально полученную 3D-сетку и липидный состав для разработки реалистичной атомистической модели рампы Терасаки — спиральной мембранной структуры, расположенной на стыке слоев эндоплазматического ретикулума. Модель имеет приблизительные размеры 1,97 мкм × 1,59 мкм × 0,61 мкм и состоит примерно из 36,6 миллионов липидов (~4,5 миллиарда атомов), что делает ее одной из самых больших атомистических биологических моделей, когда-либо созданных. Создание этой модели с помощью xMAS Builder включает в себя несколько методологически инновационных этапов, в том числе использование молекулярной динамики для моделирования ~36,6 миллионов частиц Леннарда-Джонса с использованием потенциалов на основе сетки для оптимизации упаковки мембранных липидов, проведение моделирования молекулярной динамики с участием миллиардов атомов для исправления проколов колец и других сложных столкновений липидов с использованием недавно разработанной техники минимизации энергии, а также использование потенциалов на основе сетки для уравновешивания модели при сохранении ее экспериментально полученной формы. Моделирование клеточных мембран, созданных с помощью xMAS Builder, позволит нам вычислительно исследовать сложные взаимодействия, определяющие структурную стабильность и функцию, на беспрецедентном атомистическом уровне разрешения, а также позволит нам создавать более качественные приблизительные модели систем для моделирования явлений в более длительных временных масштабах.