A diversidade lipídica da membrana em estrutura e composição é um importante contribuinte para os processos celulares e pode ser um marcador de doença. Simulações de dinâmica molecular permitem estudar membranas e suas interações com biomoléculas em resolução atomística. Aqui, fornecemos um protocolo para construir, executar e analisar sistemas complexos de membrana.
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Artigo de método
Modelagem Realística de Membranas Utilizando Misturas Lipídicas Complexas em Estudos de Simulação
Neste artigo
Resumo
Resumo
Os lipídios são blocos de construção estruturais das membranas celulares; As espécies lipídicas variam entre organelas celulares e entre organismos. Essa variedade resulta em diferentes propriedades mecânicas e estruturais na membrana que impactam diretamente as moléculas e processos que ocorrem nessa interface. A composição lipídica é dinâmica e pode servir para modular processos de sinalização celular. Abordagens computacionais são cada vez mais usadas para prever interações entre biomoléculas e fornecer insights moleculares para observáveis experimentais. A dinâmica molecular (DM) é uma técnica baseada na mecânica estatística que prevê o movimento dos átomos com base nas forças que atuam sobre eles. Simulações MD podem ser usadas para caracterizar a interação de biomoléculas. Aqui, apresentamos brevemente a técnica, descrevemos passos práticos para iniciantes que estão interessados em simular bicamadas lipídicas, demonstramos o protocolo com software amigável para iniciantes e discutimos alternativas, desafios e considerações importantes do processo. Particularmente, enfatizamos a relevância do uso de misturas lipídicas complexas para modelar uma membrana celular de interesse para capturar os ambientes hidrofóbicos e mecânicos apropriados em simulação. Também discutimos alguns exemplos em que a composição e as propriedades da membrana modulam as interações das bicamadas com outras biomoléculas.
Introdução
Os lipídios são os principais constituintes das membranas, que fornecem limites para as células e permitem a compartimentalização intracelular 1,2,3. Os lipídios são anfifílicos, com um grupo de cabeça polar e duas caudas de ácidos graxos hidrofóbicos; Estes se auto-agrupam em uma bicamada para minimizar o contato das cadeias hidrofóbicas com a água 3,4. Várias combinações de grupos cabeçais hidrofílicos e caudas hidrofóbicas resultam em diferentes classes de lipídios nas membranas biológicas, como glicerofosfolipídio....
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Protocolo
1. Construção das coordenadas do sistema
- Navegue até CHARMM-GUI.org (C-GUI) usando um navegador da Web. No menu superior, navegue até Gerador de Entrada e selecione Construtor de Membranas nas opções verticais no lado esquerdo da tela.
- Para criar uma bicamada, selecione Bilayer Builder.
NOTA: Os usuários pela primeira vez devem ativar sua conta gratuita antes de criar seu primeiro conjunto de coordenadas. - Selecione Sistema Somente Membrana. Salve o JOB ID gerado para recuperar o sistema e continuar de onde parou durante o processo, se necessário.
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Resultados
Para ilustrar o uso do protocolo e os resultados que podem ser obtidos, um estudo de comparação para modelos de membrana para o retículo endoplasmático (RE) é discutido. Os dois modelos deste estudo foram (i) o modelo PI, que contém as quatro principais espécies lipídicas encontradas no RE, e (ii) o modelo PI-PS, que adicionou as espécies lipídicas aniônicas fosfatidilserina (PS). Esses modelos foram posteriormente utilizados em um estudo de uma proteína viral e como ela interage com a membrana, o interesse no SP tem sid.......
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Discussão
Técnicas experimentais podem visualizar biomoléculas em alta resolução usando microscopia crioeletrônica (cryo-EM)58, técnicas de fluorescência e microscopia de força atômica (AFM)59. No entanto, é desafiador capturar a interação e a dinâmica das interações moleculares subjacentes às vias biológicas, à patogênese da doença e à liberação terapêutica em nível atômico ou de aminoácidos. Aqui, as capacidades das simulações MD para estudar membranas lipídicas e as principais eta.......
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Divulgações
Os autores não têm interesses concorrentes a revelar.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Jinhui Li e Ricardo X. Ramirez por suas trajetórias de simulação e discussões durante a redação deste manuscrito. O.C. foi apoiado pela University at Buffalo Presidential Fellowship e National Institute of Health's Initiative for Maximizing Student Development Training Grant 1T32GM144920-01 concedido a Margarita L. Dubocovich (PI).
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Anaconda3 | Anaconda Inc (Python e bibliotecas relacionadas) | N/A | |
| CHARMM-GUI.org | Im lab, Lehigh University | N/A | |
| GROMACS | Equipe de desenvolvimento do Gromacs | N/A | |
| Linux HPC Cluster | UB CCR | N/A | |
| MATLAB | MathWorks | N/A | |
| VMD | Teórico e Grupo de Biofísica Computacional | N/A |
Referências
- 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).
- Harayama, T., Riezman, H.
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Reimpressões e permissões
