Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 7, стр. 10-13

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование методом молекулярной динамики позволяет рассмотреть биологические процессы на уровне атомов. Однако расчет полноатóмной модели этим методом занимает много времени, поэтому для некоторых систем целесообразно использовать подход coarse-grained (крупнозернистый). Одним из методов в реализации такого подхода является использование силового поля Martini [1]. Это позволяет уменьшить время, затрачиваемое на расчеты, за счет упрощения системы: создаются частицы, символизирующие четыре тяжелых атома, и соединенные с ними атомы водорода.

Только за 2020 г. был проведен ряд расчетов с использованием данного метода. Так, в [2] была построена система, в которой был показан фазовый переход липида С12 (1-додецил-3-метилимидазолия тетрафторбората), что было бы очень сложно осуществить при расчете полноатóмной модели. Модель может воспроизводить основные структурные особенности заряженных липидов. Например, в широком диапазоне температур были воспроизведены пространственная неоднородность и плотность системы [2]. Y. Liu и соавторы представили метод, позволяющий объединить подход coarse-grained и метод полноатомной молекулярной динамики, что позволяет сократить время расчетов, сохраняя при этом достаточную точность [3].

Задача заключалась в том, чтобы проверить возможность и оценить потенциал использования подхода coarse-grained и, в частности, силового поля Martini при моделировании липидных бислоев, имитирующих биологические мембраны. В настоящей работе рассматривали бислой, состоящий из 128 молекул дилинолеил фосфатидилхолина (DLiPC). Фосфатидилхолины – это один из самых распространенных классов липидов во внутренней мембране митохондрий [4], в которой происходят процессы, непосредственно связанные с запрограммированной гибелью клеток [5].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Моделирование было проведено с применением подхода coarse-grained. Для этого был задействован веб-сервис CHARMM-GUI, с помощью которого можно работать с силовыми полями Martini, используемыми при таком подходе [6]. Прямоугольная ячейка содержала 128 молекул DLiPC и 0.15 M KCl. Для моделирования было выбрано силовое поле Martini22p [7, 8]. Моделирование проведено с помощью программного пакета Gromacs 2019.1 (SoftwareX) [9]. Минимизацию потенциальной энергии и релаксацию системы осуществляли с шагом 1 фс при максимальной силе поля 1000 кДж/моль/нм. NPT- и NVT-уравновешивания системы проводили при Т = 310 К и 1 атм соответственно. В качестве контролирующих температуру и давление алгоритмов использовали термостат Берендсена [10] и баростат Паринелло–Рахмана [11] с шагом 1 фс в течение 500 нс каждый. Продуктивное моделирование проводили с шагом 1 фс в течение 10 мкс. Результаты для всех моделей бислоев изучали с помощью программ VMD 1.9.3 [12] и PyMol 1.8 (Schrodinger LLC). Для расчетов был использован компьютер с видеокартой GeForce GTX 1080 и центральным процессором Intel Core i9-990.

ОБСУЖДЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

При моделировании бислоя DLiPC с помощью подхода coarse-grained с силовым полем Martini молекула липида представлена в виде виртуальных объектов, каждый из которых объединяет в себе несколько атомов. В силовом поле Martini используются группы нескольких типов: P – полярные, N – амфифильные, C – неполярные, Q – заряженные, которые в свою очередь также имеют подтипы [1, 13].

Так, в атоме DLiPC есть такие частицы: NC3 – холин (группа Na), PO4 – фосфатная группа (группа Qa), GL1 и GL2 – остаток глицерина, C1A, C1B, C4A и C4B – объединение насыщенных углеводородных групп, D1A, D2A, D1B и D2B – объединение ненасыщенных углеводородных групп (рис. 1).

Рис. 1.

Модель молекулы DLiPC: а – полноатомная; б – в силовом поле Martini. Отмечены группы атомов, каждая из которых объединяется в частицу при моделировании системы с использованием силового поля Martini.

В результате в течение 10 мкс была смоделирована система, состоящая из фосфолипидного бислоя, окруженного молекулами воды. Бислой включает два слоя по 64 молекулы каждый. Полученная структура, визуализированная в PyMol, представлена на рис. 2. Структура бислоя была стабильна в рассмотренном временном промежутке и адекватно отображала структуру фосфолипидного бислоя. На персональном компьютере с видеокартой GeForce GTX 1080 и центральным процессором Intel Core i9-990 на расчет траекторий в такой системе во временнóм промежутке 10 мкс ушло 2 ч машинного времени, т.е. скорость расчета составила 120 мкс/сут. При использовании аналогичных расчетных мощностей и полноатомного подхода модель подобного бислоя рассчитывается со скоростью порядка 120 нс/сут.

Рис. 2.

Модель бислоя, состоящего из 128 молекул DLiPC, полученная методом молекулярной динамики с помощью подхода coarse-grained.