Молекулярне моделювання та симуляція нк

Кристалографічні дослідження спроможні дати лише квазі-статичну картину молекулярної структури НК. До того ж, для отримання дифракційної картини потрібно принаймні декілька хвилин, навіть з використанням сучасних синхротронів (найшвидшим є метод Лайе, який у певних випадках наближається за швидкістю до потреб біохімічного аналізу). Велика кількість напрацьованого матеріалу – дифракційних картин, карт електронної щільності – дозволяє судити про певну динаміку НК за умови насиченості їх водою (до 50% розчинника).

Але справжнім допоміжним методом вивчення рухів НК є методика молекулярного моделювання, який дозволяє виявити динамічні зміни у структурі та конформації у плані ефекту останніх на молекулярну енергетику. Такі теоретичні методи можуть надати інформацію, яка доповнює експериментальні дані.

Для зручності енергетичні та конформаційні параметри для НК певної довжини визначають, оперуючи не звичайною квантовою механікою, а поняттям так званого емпіричного силового поля (ЕСП), яке походить від експериментальних даних, що описують енергетику молекул НК, беручи до уваги групу наступних факторів:

1. Ван-дер-Ваальсові взаємодії,

2. Довжини зв’язків та значення кутів,

3. Бар’єри ротаційного руху навколо одинарних зв’язків,

4. Кулоновські електростатичні внески у повний та частковий заряди, що походять з електростатичного потенціалу.

5. Водневі зв’язки (часто відносяться до електростатичного компоненту).

Останнім часом розроблені ЕСП включають у себе також урахування поляризаційних ефектів, що може бути особливо цінним у описі взаємодій НК з білками та хімічними речовинами.

Ідея ЕСП покладена у основу методів молекулярної механіки, які у своїй основі мають підходи для мінімізації внутрішньої енергії молекули через зміну конформації останньої, тобто, оптимізувати локальні низько-енергетичні мінімуми. Для всіх атомів та молекул у даному методі застосовуються принципи Н’ютонівської фізики руху (відповідні рівняння). Така симуляція молекулярної динаміки, звісно, проходить з використанням комп’ютерної техніки, з допомогою якої вже описано велику кількість можливих рухових конформації НК із залученням великої кількості молекул різних розчинників та лігандів. Подібний підхід дозволяє розраховувати рухи молекул НК та здійснювати симуляції лише за декілька десятків наносекунд у різних умовах.

Молекулярна динаміка, на відміну від механіки, може визначити бар’єри у вигляді значень внутрішньої енергії локальних мінімумів в ході молекулярних переходів структури. Часто такі дані поєднуються з даними ЯМР (отримані за допомогою ефекта Оверхаузера) для виявлення гнучкості НК. Ще однією методикою у даному відношенні є техніка симульованого віджигу, у якій структури спочатку симулюються за допомогою підходів молекулярної динаміки за високої температури, коли дані структури вже здатні долати переходи між конформаціями. Потім систему поступово охолоджують до значень температури, за якої молекула набуває звичайного для неї енергетичного стану.

Також у симуляції динаміки НК часто використовують йони розчинника та контр-йони, їх позиція генерується за допомогою так званих алгоритмів Монте-Карло. Одначе у ході розрахунку таких позицій потрібно брати до уваги електростатичні сили між молекулами розчинника та ефекти розчинення (які є обмеженнями методу ЕСП), інакше моделювання може призвести до вкрай нестабільних симуляційних структур. Виходом з ситуації може бути використання симуляційних методів Евальда, які допомагають значно збільшити стабільність та час життя структур симуляції.

Моделювання та симуляція НК завжди відбувається з урахуванням даних ЯМР та кристалографії. Недавно у симуляційні методи НК було введено так звану генералізовану сольватаційну модель Борна, яка дозволяє моделювати ДНК не враховуючи присутності води та контр-йонів, оскільки таке врахування значно подовжує процес розрахунків.

Список найбільш вживаних насьогодні комп’ютерних симуляційних програм, які беруть до уваги ідею ЕСП, включає в себе:

1. AMBER (Assisted Model building and Energy Refinement) – розроблена в лабораторії Кольмана у Сан-Франциско. Дуже широко використовується для моделювання НК, є «золотим стандартом» у даному полі досліджень. Останньою версією ЕСП за даною програмою є AMBER9.

2. CHARMM (Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics) – походить з лабораторії Карплуса у Гарварді. Є попередником вже відомих нам програм X-PLOR та CNS.

3. GROMOS (Groningen Molecular Simulation) – розроблена у лабораторії ван Гунстерена та Берендсена у Цюріху.

4. JUMNA (Junction Minimization of Nucleic Acids) – з лабораторії Лейвері, Франція. Дана програма дозволяє варіювати торсійні кути та хеліксні параметри структури НК та вивчати великі регіони конформаційного простору.

Нарешті, існують також програми, які направлені на візуалізацію моделей молекулярної структури ДНК. Найбільш розповсюдженими безкоштовними програмами такого напрямку є:

1. RasMol – розроблена Рождером Сайлом, є однією з найперших програм даного напрямку.

2. UCSF Chimera – розроблена Лабораторієї комп’ютерної графіки у Сан-Франциско.

3. PyMOL – створена компанією ДеЛано Саєнтифік, Каліфорнія.

4. VMD (Visual Molecular Dynamics) – розроблена Групою теоретичної та молекулярної біофізики в Урбані, Іллінойс дослідниками Хамфрі, Дальке та Шультеном.

5. FirstGlance in Jmol.

Веб-сайти, на яких можна знайти дані програми, представлені на слайді 19.