Method Article

Realistyczne modelowanie błon z wykorzystaniem złożonych mieszanin lipidowych w badaniach symulacyjnych

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

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

Różnorodność lipidów błony pod względem struktury i składu jest ważnym czynnikiem przyczyniającym się do procesów komórkowych i może być markerem choroby. Symulacje dynamiki molekularnej pozwalają nam badać błony i ich interakcje z biomolekułami w rozdzielczości atomowej. W tym miejscu udostępniamy protokół do budowania, uruchamiania i analizowania złożonych systemów membranowych.

Abstract

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

Lipidy są strukturalnymi elementami budulcowymi błon komórkowych; gatunki lipidów różnią się między organellami komórkowymi i organizmami. Ta różnorodność skutkuje różnymi właściwościami mechanicznymi i strukturalnymi membrany, które bezpośrednio wpływają na cząsteczki i procesy zachodzące na tym interfejsie. Skład lipidów jest dynamiczny i może służyć do modulowania procesów sygnalizacji komórkowej. Podejścia obliczeniowe są coraz częściej wykorzystywane do przewidywania interakcji między biomolekułami i dostarczania wglądu molekularnego do obserwacji eksperymentalnych. Dynamika molekularna (MD) to technika oparta na mechanice statystycznej, która przewiduje ruch atomów na podstawie działających na nie sił. Symulacje MD można wykorzystać do scharakteryzowania interakcji biomolekuł. W tym miejscu pokrótce przedstawiamy technikę, przedstawiamy praktyczne kroki dla początkujących, którzy są zainteresowani symulacją dwuwarstw lipidowych, demonstrujemy protokół za pomocą oprogramowania przyjaznego dla początkujących oraz omawiamy alternatywy, wyzwania i ważne kwestie związane z procesem. W szczególności podkreślamy znaczenie stosowania złożonych mieszanin lipidowych do modelowania błony komórkowej będącej przedmiotem zainteresowania w celu uchwycenia odpowiednich środowisk hydrofobowych i mechanicznych w symulacji. Omówiono również kilka przykładów, w których skład i właściwości błony modulują interakcje dwuwarstw z innymi biomolekułami.

Introduction

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

Lipidy są głównymi składnikami błon, które wyznaczają granice komórkom i umożliwiają wewnątrzkomórkową kompartmentację1,2,3. Lipidy są amfifilowe, z polarną grupą głowy i dwoma ogonami hydrofobowych kwasów tłuszczowych; Układają się one samoczynnie w dwuwarstwę, aby zminimalizować kontakt łańcuchów hydrofobowych z wodą 3,< klasa SUP = "XREF">4. Różne kombinacje hydrofilowych grup głowy i hydrofobowych ogonów skutkują różnymi klasami lipidów w błonach biologicznych, takimi jak glicerofosfolipidy, sfingolipidy i sterole (Rysunek ....

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

Protocol

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

1. Budowanie współrzędnych systemu

  1. Przejdź do CHARMM-GUI.org (C-GUI) za pomocą przeglądarki internetowej. W górnym menu przejdź do Input Generator, a następnie wybierz Membrane Builder z pionowych opcji po lewej stronie ekranu.
  2. Aby zbudować dwuwarstwę, wybierz Bilayer Builder.
    UWAGA: Nowi użytkownicy muszą aktywować swoje bezpłatne konto przed zbudowaniem pierwszego zestawu współrzędnych.
  3. Wybierz opcję Membrane Only System (System tylko membranowy). Zapisz wygenerowany identyfikator zadania, aby pobrać system i w razie potrzeby kontynuować od mie....

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

Results

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

Aby zilustrować zastosowanie protokołu i wyniki, które można uzyskać, omówiono badanie porównawcze modeli błonowych dla retikulum endoplazmatycznego (ER). Dwa modele w tym badaniu to (i) model PI, który zawiera cztery pierwsze formy lipidów występujące w ER, oraz (ii) model PI-PS, który dodał anionowe gatunki lipidów fosfatydyloseryny (PS). Modele te zostały później wykorzystane w badaniu białka wirusowego i jego interakcji z błoną, zainteresowanie PS zostało uznane za ważne dla aktywności przepuszczalności białka wiruso.......

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

Discussion

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

Techniki eksperymentalne mogą wizualizować biomolekuły w wysokiej rozdzielczości za pomocą mikroskopii krioelektronowej (cryo-EM)58, technik fluorescencyjnych i mikroskopii sił atomowych (AFM)59. Jednak uchwycenie wzajemnych oddziaływań i dynamiki interakcji molekularnych, które leżą u podstaw szlaków biologicznych, patogenezy chorób i dostarczania terapeutycznego na poziomie atomowym lub aminokwasowym, jest wyzwaniem. W tym miejscu omówiono możliwości symulacji MD w zakres.......

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

Disclosures

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

Autorzy nie mają żadnych sprzecznych interesów, które mogliby ujawnić.

Acknowledgements

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

Autorzy dziękują Jinhui Li i Ricardo X. Ramirezowi za ich trajektorie symulacji i dyskusje podczas pisania tego rękopisu. O.C. był wspierany przez University at Buffalo Presidential Fellowship i National Institute of Health's Initiative for Maximizing Student Development Training Grant 1T32GM144920-01 przyznany Margaricie L. Dubocovich (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 i biblioteki pokrewne)Nie dotyczy
CHARMM-GUI.orgIm lab, Lehigh UniversityN/A
GROMACS GROMACSteamN/A
Linux HPCCluster UB CCRN/A
MATLABMATHWORKSN/A
VMDTeoretyczne i Grupa Biofizyki ObliczeniowejN/A
development

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