Realistische membraanmodellering met behulp van complexe lipidenmengsels in simulatiestudies

Summary

De diversiteit van membraanlipiden in structuur en samenstelling levert een belangrijke bijdrage aan cellulaire processen en kan een marker van ziekte zijn. Moleculaire dynamica-simulaties stellen ons in staat om membranen en hun interacties met biomoleculen met atomistische resolutie te bestuderen. Hier bieden we een protocol voor het bouwen, uitvoeren en analyseren van complexe membraansystemen.

Abstract

Lipiden zijn structurele bouwstenen van celmembranen; Lipidensoorten variëren tussen celorganellen en tussen organismen. Deze variëteit resulteert in verschillende mechanische en structurele eigenschappen in het membraan die een directe invloed hebben op de moleculen en processen die op dit grensvlak plaatsvinden. De samenstelling van lipiden is dynamisch en kan dienen om celsignaleringsprocessen te moduleren. Computationele benaderingen worden steeds vaker gebruikt om interacties tussen biomoleculen te voorspellen en moleculaire inzichten te verschaffen aan experimentele observabelen. Moleculaire dynamica (MD) is een techniek gebaseerd op statistische mechanica die de beweging van atomen voorspelt op basis van de krachten die erop inwerken. MD-simulaties kunnen worden gebruikt om de interactie van biomoleculen te karakteriseren. Hier introduceren we kort de techniek, schetsen we praktische stappen voor beginners die geïnteresseerd zijn in het simuleren van lipide dubbellagen, demonstreren we het protocol met beginnersvriendelijke software en bespreken we alternatieven, uitdagingen en belangrijke overwegingen van het proces. In het bijzonder benadrukken we de relevantie van het gebruik van complexe lipidenmengsels om een celmembraan te modelleren dat van belang is om de juiste hydrofobe en mechanische omgevingen in simulatie vast te leggen. We bespreken ook enkele voorbeelden waarbij membraansamenstelling en -eigenschappen de interacties van dubbellagen met andere biomoleculen moduleren.

Introduction

Lipiden zijn belangrijke bestanddelen van membranen, die grenzen bieden aan cellen en intracellulaire compartimentering mogelijk maken ^1,2,3. Lipiden zijn amfifiel, met een polaire kopgroep en twee hydrofobe vetzuurstaarten; Deze assembleren zichzelf tot een dubbellaag om het contact van de hydrofobe ketens met water te minimaliseren ^3,4. Verschillende combinaties van hydrofiele kopgroepen en hydrofobe staarten resulteren in verschillende klassen lipiden in biologische membranen, zoals glycerofosfolipiden, sfingolipid....

Protocol

1. Het bouwen van de systeemcoördinaten

1. Navigeer naar CHARMM-GUI.org (C-GUI) met behulp van een webbrowser. Navigeer in het bovenste menu naar Input Generator en selecteer vervolgens Membrane Builder uit de verticale opties aan de linkerkant van het scherm.
2. Als u een dubbellaag wilt bouwen, selecteert u Bilayer Builder.
   OPMERKING: Nieuwe gebruikers moeten hun gratis account activeren voordat ze hun eerste set coördinaten maken.
3. Selecteer Systeem met alleen membraan. Sla de gegenereerde JOB-ID op om het systeem op te halen en ga indien nodig verder waar....

Results

Om het gebruik van het protocol en de resultaten die kunnen worden verkregen te illustreren, wordt een vergelijkende studie voor membraanmodellen voor het endoplasmatisch reticulum (ER) besproken. De twee modellen in deze studie waren (i) het PI-model, dat de vier belangrijkste lipidensoorten bevat die in het ER worden aangetroffen, en (ii) het PI-PS-model, dat de anionische fosfatidylserine (PS) lipidesoorten toevoegde. Deze modellen werden later gebruikt in een onderzoek naar een viraal eiwit en hoe het interageert met.......

Discussion

Experimentele technieken kunnen biomoleculen met hoge resolutie visualiseren met behulp van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM)⁵⁸, fluorescentietechnieken en atoomkrachtmicroscopie (AFM)⁵⁹. Het is echter een uitdaging om het samenspel en de dynamiek van moleculaire interacties vast te leggen die ten grondslag liggen aan biologische routes, ziektepathogenese en therapeutische afgifte op atomair of aminozuurniveau. Hier werden de mogelijkheden van MD-simulaties om lipidememb.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Anaconda3	Anaconda Inc (Python & related libraries)	N/A
CHARMM-GUI.org	Im lab, Lehigh University	N/A
GROMACS	GROMACS development team	N/A
Linux HPC Cluster	UB CCR	N/A
MATLAB	MathWorks	N/A
VMD	Theoretical and Computational Biophysics Group	N/A