Учёные из МФТИ в составе международного консорциума исследовали поведение фосфолипидов, составляющих мембраны клеток.
Липидам доступно большое количество разных структур, благодаря чему каждый из них может связываться с широким набором белков. Однако время, которое проводит связывающая белок часть в каждом из состояний, зависит от её вида. Эти результаты важны для понимания жизнедеятельности клеток. Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society.
Мембраны клеток в основном состоят из фосфолипидов. Понимание взаимодействий липидов с другими биомолекулами важно в том числе для прикладных биотехнологий, например применения липидных оболочек для доставки мРНК в нужную клетку. В частности, современные мРНК-вакцины от коронавируса представляют собой липидные наночастицы с мРНК внутри. Взаимодействия клеточных мембран или липидов с белками, активными молекулами лекарств или РНК регулируются в основном гидрофильными головными группами липидов. При этом в составе мембран насчитываются тысячи разных липидов, конформации (относительное расположение атомов) которых до конца не изучены. Также не хватает данных о взаимодействиях липидов с разными белками. В частности, непонятно, в каких конформациях липиды связываются с ними.
Поскольку головы липидов крайне подвижны, наиболее точные данные об их конформации возможно получить при помощи метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), который показывает расстояния между разными парами атомов в составе молекулы. При этом информации ЯМР недостаточно, и поэтому часто также используется компьютерное моделирование. Для поиска наиболее точных параметров молекулярного моделирования липидов был создан открытый международный консорциум NMRlipids, в котором участвуют и учёные из МФТИ. В рамках консорциума учёные вместе проводят моделирование липидов с использованием разных параметров, а потом сравнивают результаты между собой и с результатами экспериментов. Ранее консорциум уже публиковал статьи по отдельным липидам, но разные липиды участники консорциума не сравнивали и не изучали их взаимодействие с белками.
«Проект NMRlipids является интересным примером открытой науки, где все результаты в любой момент видны любому желающему, а участие никак не ограничено. В случае успеха мы найдем наилучшие параметры для моделирования липидов, что позволит гораздо лучше изучать клеточные и искусственные мембраны», — рассказывает Иван Гущин, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
В новой работе авторы исследовали, какие разные распространённые в природе липиды (фосфатидилхолин и другие) формируют структуры и на какую долю времени. Исследуемые липиды формировали разные мембраны — заряженные и незаряженные — и взаимодействовали с мембранными белками. Проведённое моделирование, основанное на прямом вычислении координат атомов в каждый момент времени, показало, что ни один из подходов не воспроизводит пространство состояний липидов точно (на рисунке в начале заметки результаты моделирования). Но были определены параметры, дающие наиболее приближенные к реальным результаты. Из экспериментальных данных известно, что каждый вид липидов может в разных состояниях связываться с широким набором белков. Теперь учёные выяснили, что разные липиды имеют разные предпочтительные конформации, в которых их можно чаще наблюдать. Благодаря этому некоторые липиды могут легче связываться с конкретными белками.
«Открытая наука, к которой, безусловно, относится проект NMRLipids, позволяет учёным с разным бэкграундом и набором навыков объединиться и всесторонне изучить определённую проблему. В рамках NMRlipids создаётся универсальный набор программ, с помощью которого можно анализировать траектории липидов в молекулярной динамике и сравнивать их с различными экспериментальными данными. Этот функционал существенно ускорит разработку новых силовых полей для компьютерного моделирования мембран, что, в свою очередь, позитивно повлияет на точность компьютерных моделей, описывающих, например, перенос лекарств через клеточные мембраны», — дополняет Павел Буслаев, второй соавтор работы из МФТИ.
Помимо сотрудников МФТИ, в исследовании принимали участие учёные из России, Франции, Испании, Великобритании, Мексики, Германии, Чехии, Финляндии, США, Голландии и Португалии.