Method Article

Simülasyon Çalışmalarında Kompleks Lipid Karışımları Kullanılarak Gerçekçi Membran Modellemesi

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

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

Yapı ve bileşimdeki membran lipid çeşitliliği, hücresel süreçlere önemli bir katkıda bulunur ve bir hastalık belirteci olabilir. Moleküler dinamik simülasyonları, membranları ve bunların biyomoleküllerle etkileşimlerini atomistik çözünürlükte incelememizi sağlar. Burada, karmaşık membran sistemlerini oluşturmak, çalıştırmak ve analiz etmek için bir protokol sağlıyoruz.

Abstract

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

Lipitler, hücre zarlarının yapısal yapı taşlarıdır; Lipid türleri, hücre organelleri ve organizmalar arasında farklılık gösterir. Bu çeşitlilik, membranda, bu arayüzde meydana gelen molekülleri ve süreçleri doğrudan etkileyen farklı mekanik ve yapısal özelliklerle sonuçlanır. Lipid bileşimi dinamiktir ve hücre sinyalleme süreçlerini modüle etmeye hizmet edebilir. Hesaplamalı yaklaşımlar, biyomoleküller arasındaki etkileşimleri tahmin etmek ve deneysel gözlemlenebilirlere moleküler içgörüler sağlamak için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Moleküler dinamik (MD), atomların hareketini, üzerlerine etki eden kuvvetlere göre tahmin eden istatistiksel mekaniğe dayalı bir tekniktir. MD simülasyonları, biyomoleküllerin etkileşimini karakterize etmek için kullanılabilir. Burada, tekniği kısaca tanıtıyoruz, lipid çift katmanlarını simüle etmekle ilgilenen yeni başlayanlar için pratik adımları özetliyoruz, yeni başlayanlar için uygun yazılımla protokolü gösteriyoruz ve alternatifleri, zorlukları ve sürecin önemli hususlarını tartışıyoruz. Özellikle, simülasyonda uygun hidrofobik ve mekanik ortamları yakalamak için ilgilenilen bir hücre zarını modellemek için karmaşık lipid karışımlarının kullanılmasının önemini vurguluyoruz. Ayrıca, membran bileşiminin ve özelliklerinin çift katmanların diğer biyomoleküllerle etkileşimlerini modüle ettiği bazı örnekleri de tartışıyoruz.

Introduction

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

Lipitler, hücreler için sınırlar sağlayan ve hücre içi bölümlendirmeyisağlayan zarların ana bileşenleridir 1,2,3. Lipitler, bir polar baş grubu ve iki hidrofobik yağ asidi kuyruğu ile amfifiliktir; Bunlar, hidrofobik zincirlerin suile temasını en aza indirmek için çift tabaka halinde kendiliğinden birleşir 3,4. Hidrofilik baş gruplarının ve hidrofobik kuyrukların çeşitli kombinasyonları, biyolojik membranlarda gliserofosfolipidler, sfingolipidler ve steroller gibi farklı lipit sınıflarına neden olur (Şekil 1)

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

Protocol

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

1. Sistem koordinatlarının oluşturulması

  1. Bir web tarayıcısı kullanarak CHARMM-GUI.org (C-GUI) bölümüne gidin. Üst menüde Giriş Oluşturucu'ya gidin, ardından ekranın sol tarafındaki dikey seçeneklerden Membran Oluşturucu'yu seçin.
  2. Çift katmanlı oluşturmak için Bilayer Builder'ı seçin.
    NOT: İlk kez kullananlar, ilk koordinat kümelerini oluşturmadan önce ücretsiz hesaplarını etkinleştirmelidir.
  3. Yalnızca Membran Sistemi'ni seçin. Sistemi almak için oluşturulan İŞ KİMLİĞİNİ kaydedin ve gerekirse işlem sırasında kaldığınız yerden devam edin.
    1. Sayfanın ....

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

Results

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

Protokolün kullanımını ve elde edilebilecek sonuçları göstermek için, endoplazmik retikulum (ER) için membran modelleri için bir karşılaştırma çalışması tartışılmaktadır. Bu çalışmadaki iki model, (i) ER'de bulunan ilk dört lipid türünü içeren PI modeli ve (ii) anyonik fosfatidilserin (PS) lipid türlerini ekleyen PI-PS modeliydi. Bu modeller daha sonra bir viral protein ve membran ile nasıl etkileşime girdiği üzerine yapılan bir çalışmada kullanılmış, PS'ye olan ilginin viral proteinin geçirgenlik aktivitesi için önemli .......

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

Discussion

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

Deneysel teknikler, kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM)58, floresan teknikleri ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM)59 kullanarak biyomolekülleri yüksek çözünürlükte görselleştirebilir. Bununla birlikte, biyolojik yolların, hastalık patogenezinin ve atomik veya amino asit düzeyinde terapötik dağıtımın altında yatan moleküler etkileşimlerin etkileşimini ve dinamiklerini yakalamak zordur. Burada, MD simülasyonlarının lipid membranları inceleme yetenekleri ve bu sistemleri tasarl.......

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

Disclosures

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

Yazarların ifşa etmek için rekabet eden çıkarları yoktur.

Acknowledgements

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

Yazarlar, bu makalenin yazımı sırasındaki simülasyon yörüngeleri ve tartışmaları için Jinhui Li ve Ricardo X. Ramirez'e teşekkür eder. O.C., Buffalo Üniversitesi Başkanlık Bursu ve Ulusal Sağlık Enstitüsü'nün Öğrenci Gelişimini En Üst Düzeye Çıkarma Girişimi tarafından desteklenmiştir Eğitim Hibesi 1T32GM144920-01, Margarita L. Dubocovich'e (PI) verildi.

....

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 ve ilgili kütüphaneler)N/A
CHARMM-GUI.orgIm lab, Lehigh UniversityN/A
GROMACSGROMACS geliştirme ekibiN/A
Linux HPC KümesiUB CCRN/A
MATLABMathWorksN/A
VMDTeorik ve Hesaplamalı Biyofizik GrubuN/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