Method Article

نمذجة الغشاء الواقعية باستخدام مخاليط الدهون المعقدة في دراسات المحاكاة

DOI:

10.3791/65712

⸱

September 1st, 2023

 ,  ,  , 
1Department of Chemical and Biological Engineering, State University of New York at Buffalo, 2Department of Mathematics, State University of New York at Buffalo

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد تنوع الدهون الغشائية في التركيب والتكوين مساهما مهما في العمليات الخلوية ويمكن أن يكون علامة على المرض. تسمح لنا محاكاة الديناميات الجزيئية بدراسة الأغشية وتفاعلاتها مع الجزيئات الحيوية بدقة ذرية. هنا ، نقدم بروتوكولا لبناء وتشغيل وتحليل أنظمة الأغشية المعقدة.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الدهون هي اللبنات الهيكلية لأغشية الخلايا. تختلف أنواع الليبيدات عبر عضيات الخلايا وعبر الكائنات الحية. ينتج عن هذا التنوع خصائص ميكانيكية وهيكلية مختلفة في الغشاء تؤثر بشكل مباشر على الجزيئات والعمليات التي تحدث في هذه الواجهة. تكوين الدهون ديناميكي ويمكن أن يعمل على تعديل عمليات إشارات الخلية. تستخدم الأساليب الحسابية بشكل متزايد للتنبؤ بالتفاعلات بين الجزيئات الحيوية وتوفير رؤى جزيئية للملاحظات التجريبية. الديناميات الجزيئية (MD) هي تقنية تعتمد على الميكانيكا الإحصائية التي تتنبأ بحركة الذرات بناء على القوى التي تعمل عليها. يمكن استخدام محاكاة MD لتوصيف تفاعل الجزيئات الحيوية. هنا ، نقدم بإيجاز التقنية ، ونحدد الخطوات العملية للمبتدئين المهتمين بمحاكاة طبقات الدهون المزدوجة ، ونوضح البروتوكول باستخدام برامج صديقة للمبتدئين ، ونناقش البدائل والتحديات والاعتبارات المهمة للعملية. على وجه الخصوص ، نؤكد على أهمية استخدام مخاليط الدهون المعقدة لنمذجة غشاء الخلية المهم لالتقاط البيئات الميكانيكية والكارهة للماء المناسبة في المحاكاة. نناقش أيضا بعض الأمثلة حيث يعدل تكوين الغشاء وخصائصه تفاعلات الطبقات الثنائية مع الجزيئات الحيوية الأخرى.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الدهون هي المكونات الرئيسية للأغشية ، والتي توفر حدودا للخلايا وتمكن من التقسيم داخل الخلايا1،2،3. الدهون هي البرمائيات ، مع مجموعة رأس قطبية واثنين من ذيول الأحماض الدهنية الكارهة للماء. تتجمع هذه ذاتيا في طبقة ثنائية لتقليل ملامسة السلاسل الكارهة للماءبالماء 3,4. ينتج عن مجموعات مختلفة من مجموعات الرأس المحبة للماء والذيول الكارهة للماء فئات مختلفة من الليبيدات في الأغشية البيولوجية ، مثل الجليسيروفوسفوليبيدات ، والشحميات السفينغوبية ، والستيرول (الشكل 1) 1،

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. بناء إحداثيات النظام

  1. انتقل إلى CHARMM-GUI.org (C-GUI) باستخدام متصفح الويب. في القائمة العلوية ، انتقل إلى مولد الإدخال ، ثم حدد Membrane Builder من الخيارات الرأسية على الجانب الأيسر من الشاشة.
  2. لإنشاء طبقة ثنائية، حدد منشئ الطبقة الثنائية.
    ملاحظة: يجب على المستخدمين لأول مرة تنشيط حسابهم المجاني قبل إنشاء أول مجموعة من الإحداثيات.
  3. حدد نظام الغشاء فقط. احفظ معرف JOB الذي تم إنشاؤه لاسترداد النظام والمتابعة من حيث توقفت أثناء العملية إذا لزم الأمر.
    1. تصور الأنظمة أثناء كل خطوة من خطوات عملية البناء بالنقر فوق عرض الهيكل في المرب....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لتوضيح استخدام البروتوكول والنتائج التي يمكن الحصول عليها ، تمت مناقشة دراسة مقارنة لنماذج الأغشية للشبكة الإندوبلازمية (ER). النموذجان في هذه الدراسة هما (i) نموذج PI ، الذي يحتوي على الأنواع الدهنية الأربعة الأولى الموجودة في ER ، و (ii) نموذج PI-PS ، الذي أضاف أنواع الدهون الأنيونية فوسفاتيديل سيرين (PS). تم استخدام هذه النماذج لاحقا في دراسة البروتين الفيروسي وكيفية تفاعله مع الغشاء ، وقد تم الاستشهاد بالاهتمام ب PS باعتباره مهما لنشاط نفاذية البروتينالفيروسي 23. لدمج التنوع في هياكل الذيل الد.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يمكن للتقنيات التجريبية تصور الجزيئات الحيوية بدقة عالية باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد (cryo-EM)58 ، وتقنيات التألق ، ومجهر القوة الذرية (AFM)59. ومع ذلك ، من الصعب التقاط التفاعل وديناميكيات التفاعلات الجزيئية التي تكمن وراء المسارات البيولوجية ، والتسبب في المرض ، والتسليم العلاجي على المستوى الذري أو الأحماض الأمينية. هنا ، تمت مناقشة قدرات محاكاة MD لدراسة الأغشية الدهنية والخطوات الرئيسية لتصميم وبناء وتشغيل وتحليل هذه الأنظمة. ميزة هذه الطريقة الحسابية هي التفاصيل.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين مصالح متنافسة للكشف عنها.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يشكر المؤلفون جينهوي لي وريكاردو إكس راميريز على مسارات المحاكاة والمناقشات أثناء كتابة هذه المخطوطة. تم دعم O.C. من قبل زمالة الجامعة في بوفالو الرئاسية ومبادرة المعهد الوطني للصحة لتعظيم منحة التدريب على تطوير الطلاب 1T32GM144920-01 الممنوحة لمارغريتا إل دوبوكوفيتش (PI).

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Anaconda3Anaconda Inc (Python والمكتبات ذات الصلة)N / A
CHARMM-GUI.orgIm lab ، جامعة ليهايN / A
GROMACSGROMACS فريق التطويرN / A
Linux HPC ClusterUB CCRN / A
MATLABMathWorksN / A
VMDنظري و مجموعة الفيزياء الحيوية الحاسوبيةN / A

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Vanni, S., Riccardi, L., Palermo, G., De Vivo, M. Structure and Dynamics of the Acyl Chains in the Membrane Trafficking and Enzymatic Processing of Lipids. Accounts of Chemical Research. 52 (11), 3087-3096 (2019).
  2. Harayama, T., Riezman, H.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Membrane ModelingLipid MixturesMolecular DynamicsLipid Bilayer SimulationMembrane CompositionCHARMM GUIGROMACS SimulationBilayer StructureLipid SpeciesMembrane Protein Interaction

Related Articles