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 8728 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 2148 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 1556 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 1501 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 1435 0 Технология
-1
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 4318 2 Технология
0
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 1472 1 Технология
0
Ученые: микросхемы могут иметь вирус на уровне примесей
Все больше находят подтверждение опасения о возможности наличия троянцев в микросхемах, применяемых в военном и промышленном оборудовании. К такому выводу пришла группа ученых из США, Нидерландов, Швейцарии и Германии. Они показали, что интегральные схемы могут быть злонамеренно модифицированы, таким образом, ..
2013-09-21 1344 0 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 1308 0 Технология
0
Российские ученые нашли способ продлевать жизнь
Российские ученые разработали алгоритмы обработки данных конкретных пациентов при помощи компьютера, которые позволяют составить индивидуальную программу по борьбе со старением и раком. Биолог Алексей Москалев из Сыктывкара и группа его коллег из МФТИ (Московского физико-технического института) разработали алгоритмы компьютерного ..
2014-04-25 1688 0 Технология
0
Иженеры изобрели "увеличитель движений"
Инженеры из Массачусетского технологического института научились избирательно увеличивать на видео отдельные движения, что позволило им рассмотреть в кадре ранее незаметные перемещения. Сообщение об этом приводится на сайте института. Разработанный алгоритм раскладывает исходное видео на разные уровни детальности (строит пирамиду ..
2012-06-23 1418 0 Технология
0
Учёные добились ускорения роста костной клетки
Исследование, проводимое во главе с И-Сянь Цинем, кандидатом технических наук, профессором кафедры биомедицинской инженерии и директором «Научно-исследовательской ортопедической лаборатории» при «Стоуни-Брукском университете» (Stony Brook University), показали, что использование сфокусированного ультразвука средней интенсивности на остеобласты — молодые ..
2012-07-19 1483 0 Технология
0
Ученые создали нелинейную оптическую среду
Ученые из Университета Райса разработали способ расположения наночастиц металлов в форме дисков в геометрические узоры, который позволяет создавать оптические процессоры, преобразующие входящий сигнал света в выходящий свет другого цвета. Это крупное достижение группы, состоящей из физиков-теоретиков ..
2013-05-23 1122 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 1188 0 Технология
0
Ученые Приморья изобрели способ удешевить выпуск пластика в два раза
Ученые Приморья разработали технологию безотходного производства титанового пигмента, которая позволит снизить стоимость краски, бумаги и пластика в 1,5-2 раза, сообщил РИА Новости в среду представитель Дальневосточного федерального университета (ДВФУ). "Сегодня в мире производят около 5 миллионов тонн ..
2014-02-26 1603 0 Технология
0