Ученые смоделировали внутриклеточную среду на атомарном уровне

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 проявляли слабое притягивание, что соответствует экспериментальным данным о формировании динамических комплексов для повышения эффективности многостадийных реакций каналированием 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).

Исследователи 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

N+1

Похожие новости:
Ученые смоделировали самый сложный квазикристалл
Американские инженеры смоделировали самую сложную кристаллическую структуру. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Materials, а кратко с ней можно ознакомиться на сайте Мичиганского университета. Наблюдать трехмерную структуру икосаэдрического квазикристалла ученым удалось при помощи компьютерной симуляции ..
2014-12-26 8777 0 Технология
0
Физики смоделировали поведение плазмы в термоядерном реакторе
Немецкие и американские ученые разработали новый способ прогнозирования распределения флуктуаций турбулентности в плазме стелларатора, а также их минимизации. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Принстонского университета. Основная ..
2014-10-15 1550 0 Технология
0
Ученые создали наноматериал, останавливающий пули
Американские ученые совершили настоящее открытие – сделали наноматериал, который способен останавливать пули. Исследователи из США  давно уже работают над разработкой прочного и одновременно тонкого и легкого полимера, придет который на смену материалу, служащему основной для производства бронежилетов. ..
2012-11-19 2207 0 Технология
0
Роботов оснастили GPS-нейронами
В прошлом году Нобелевскую премию по медицине получили нейробиологи, открывшие два класса нервных клеток, помогающих нам ориентироваться в пространстве. Учёные из Сингапура решили оснастить такими «GPS-нейронами», как их теперь иногда называют в литературе, роботов. Исследователи смоделировали работу двух типов нейронов ..
2015-10-26 1199 0 Технология
0
Ученые создали микроускоритель частиц
Физики из Университета штата Техас в Остине создали настольный ускоритель частиц, который может разгонять частицы до таких энергий и скоростей, которые ранее были достижимы только с применением ускорителей длиною в сотни метров и стоившими сотни миллионов долларов. «Мы ..
2013-06-22 1623 0 Технология
0
Придуман электрический переключатель толщиной в три атома
Инженеры из Стэнфорда смоделировали электронный переключатель между проводящими и непроводящими состояниями кристалла специального вида. Исследование ученых опубликовано в журнале Nature Communications, а кратко с ним можно ознакомиться на сайте Стэнфордского университета. Ученые считают, что они обнаружили материал, способный переключаться между ..
2014-07-02 1500 0 Технология
-1
Радиация угрожает современной микроэлектронике
Радиация угрожает современной микроэлектронике в десять раз сильнее, чем считалось до сих пор, полагают исследователи из Университета Вандербильта (США). По мере миниатюризации уязвимость транзисторов растёт вплоть до того, что отдельное устройство может быть выведено из строя единственным ионом.Исследование, проведенное Эндрю ..
2012-07-23 1540 1 Технология
0
Физики разработали «бактериальную ГЭС»
Массив крошечных роторов, погруженный в обычную суспензию бактерий, начинает вращаться упорядоченно и стабильно. Это, теоретически, позволит получать энергию из случайных течений, которые создает движение микробов в жидкости. К таким выводам пришли британские и индийские ученые, статья которых ..
2016-07-12 1366 0 Технология
0
Австралийские ученые создали революционное лекарство от рака
Как сообщает издание Sydney Morning Herald, австралийские ученые создали революционное лекарство от рака. «Препарат вызывает разрушение каркаса раковой клетки, и этот процесс протекает достаточно быстро. При этом здоровые клетки остаются нетронутыми», — объясняет лидер исследовательской ..
2013-08-15 4408 2 Технология
0
Ученые создали искусственные вирусы без ДНК
Биохимики из Вашингтонского университета смоделировали, а затем синтезировали белки, которые способны объединяться, образуя икосаэдр. Такие сложные молекулы, чья форма соответствует оболочкам многих вирусов, могут применяться в качестве транспорта для доставки лекарств и других активных веществ в раковые ..
2016-06-21 1511 0 Технология
0
Ученые смоделировали процесс выделения водорода
Водород, самый простой и распространенный химический элемент на Земле, он является перспективным энергоносителем для новых экологически чистых энергетических технологий. Водород, как энергоноситель обеспечивает питанием топливные элементы электромашин, а также может использоваться для хранения энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками. Основной ..
2012-07-19 2147 0 Технология
0
Зелёная энергия спасёт миллионы жизней
Затраты на отказ от ископаемого топлива окупаются трудом тех, кого не убил грязный воздух. Переход на экологически чистую энергию может показаться дорогим вариантом, но он окупится почти сразу же, если верить новому анализу. В чём секрет? Сокращение нашей зависимости от ископаемого ..
2013-09-23 1083 0 Технология
0
Физики впервые рассмотрели шестиугольную структуру льда на поверхности графита
Китайские физики впервые рассмотрели кристаллическую структуру двумерного слоя льда, который возникает на поверхности графита при температуре около 160 кельвинов. Для этого ученые численно рассчитали муаровый узор, который образует слой льда и слой графита, а потом сравнили ..
2019-03-10 1639 0 Технология
0
В США проходит международный конкурс энергоэффективных домов
В США прошел Международный конкурс энергоэффективных домов. Мероприятие организовано министерством энергетики США и собрало 19 команд студентов-архитекторов из Америки, Китая и Новой Зеландии. Экспертная комиссия оценивала дома по десяти признакам, за каждый из которых был максимум 100 очков. Выиграла та команда, которая набрала ..
2011-10-27 2015 0 Технология
0
Радиационные технологии, или Как уберечься от террористов
Вчера в ВВЦ прошел круглый стол кластера ядерных технологий фонда «Сколково» на тему «Технологическая платформа «Радиационные технологии» для обеспечения безопасности: от идеи до продукта». Участники мероприятия обсудили состояние, перспективы и ограничения развития российского рынка, конкурентоспособность отечественных поставщиков, а также ..
2011-10-27 1628 0 Технология
0