Компьютерное моделирование мембран, липид-II и покрывало Пенелопы

По легенде, в ожидании Одиссея Пенелопа каждый день ткала покрывало и каждую ночь его распускала. Так и в бактериальной клетке постоянно и одновременно идут два процесса: синтез клеточной стенки и ее разрушение.

Компьютерное моделирование мембран, липид-II и покрывало Пенелопы
Чтобы обмануть многочисленных женихов, добивавшихся ее руки в то время, как Одиссей странствовал по морям, Пенелопа пошла на хитрость. Она объявила, что не может снова выйти замуж, не соткав погребальное покрывало своему свекру Лаэрту. Каждый день она ткала покрывало на глазах женихов и каждую ночь распускала его, когда никто не видел. Так ей удалось протянуть время и дождаться Одиссея.

Огромное количество клеточных процессов напоминают покрывало Пенелопы: те или иные вещества или структуры постоянно синтезируются и в то же время постоянно уничтожаются; тонкий баланс между этими двумя процессами обеспечивает существование клетки и организма в целом.

Взять хотя бы клеточную стенку, которая снаружи обволакивает бактериальные клетки и защищает их от всевозможных угроз из внешнего мира. В бактериальной клетке постоянно и одновременно идут два процесса: синтез этой стенки и ее разрушение. В результате стенка все время обновляется и обеспечивает бактерии качественную защиту. В этой статье мы поговорим об одном из липидов мембраны бактерий, липиде-II, который критически необходим для синтеза клеточной стенки. Этот липид, как челнок в ткацком станке Пенелопы, снует между внутренней и наружной поверхностями мембраны, поднося к клеточной стенке «строительные блоки», из которых она состоит. Также здесь будет рассказано о том, как с помощью компьютерного моделирования биомолекул удалось выяснить некоторые интимные закономерности существования липида-II.

Все живые существа состоят из огромного числа разнообразных молекул. Эти молекулы между собой взаимодействуют, разрушаются, синтезируются, меняют конформацию, перемещаются — одним словом, живут своей бурной молекулярной жизнью, обеспечивающей жизнь организма в целом. Поэтому нечего даже и говорить, как важно для биологии изучать тонкие взаимодействия между молекулами. Существует несколько методологических подходов к достижению этой цели.

    1. in vivo (переводится как «в живом»). Можно взять живой организм и посмотреть, что творят там те или иные молекулы. С одной стороны, это — изучение молекулярных взаимодействий в условиях, максимально приближенных к боевым, и полученные результаты, скорее всего, будут иметь самое прямое отношение к тому, что происходит с молекулами в организме на самом деле. С другой стороны — это дорого (нужно разоряться на подопытных животных, на оборудование, на зарплату квалифицированных специалистов), долго и не всегда дает однозначный результат. Последнее связано с тем, что слишком уж много в живой системе разнообразных молекул, и четко проследить судьбу всего нескольких из них, как правило, невозможно, поскольку нельзя учесть все влияния, которым они могут подвергнуться.

    2. in vitro («в стекле», то есть в пробирке). Можно взять не целый организм, а культуру клеток, либо только сами интересующие нас молекулы и, поместив их в пробирку или в чашку Петри, попытаться с помощью различных экспериментов выяснить, как молекулы общаются между собой. Это, как правило, дешевле и быстрее предыдущего способа, но результат дает довольно грубый, потому что законы существования клеток в культуре отличаются от таковых для клеток живого организма, а «голые» молекулы в пробирке и вовсе могут вести себя совершенно неподобающим образом (отнюдь не так, как в живой системе).

    3. И наконец, in silico («в кремнии», то есть на компьютере, поскольку кремниевые полупроводники играют важную роль в работе компьютеров). Можно провести всё исследование на компьютере: задать свойства каждой молекулы с помощью специальных компьютерных программ и физических моделей, а затем рассчитать, что случится с этими молекулами в тех или иных ситуациях. Это самый дешевый, самый быстрый и самый грубый способ из всех описанных: мы совершенно точно не учтем всех тонкостей молекулярных взаимоотношений, зато сможем «малой кровью», не тратя много времени и денег, выяснить хотя бы приблизительные закономерности, которые потом проверим in vitro и in vivo. Кроме того, многие молекулярные нюансы вообще никак нельзя изучить, кроме как рассчитав на компьютере. Этому подходу (а точнее, вычислению с его помощью свойств липидных мембран) была посвящена лекция профессора Романа Гербертовича Ефремова на Зимней школе Современная биология и биотехногии будущего, прошедшей при поддержке Российской венчурной компании, Фонда «Династия» и РФФИ зимой 2013 года. И именно с помощью данного подхода и были выяснены некоторые закономерности поведения в мембране липида-II, описанные в статье группы Ефремова, опубликованной недавно в журнале Scientific reports.

Возврат к списку

Актуальные новости