Modellering af miniskulen:Højopløsningsdesign af biomolekyler i nanoskala

(PhysOrg.com) -- Et nøgleelement i både bioteknologi og nanoteknologi er – måske ikke overraskende – beregningsmodellering. Ofte, i silico nanostrukturdesign og -simulering går forud for egentlige eksperimenter. I øvrigt, evnen til at bruge modellering til at forudsige biomolekylær struktur lægger grundlaget for det efterfølgende design af biomolekyler. Historisk set, problemet har været, at det meste modelleringssoftware præsenterer en afvejning mellem at være generelle formål (ved at være i stand til at modellere systemer ved høj/atomær opløsning), men begrænset i omfang (dvs. udforsker kun en lille brøkdel konformationelt rum omkring den oprindelige struktur). For nylig, imidlertid, Forskere fra Stanford University har udviklet en algoritme – implementeret i et modelleringsprogram kendt som MOSAICS (Methodologies for Optimization and Sampling In Computational Studies) – der opnår nanoskalamodellering med den nødvendige opløsning uden at være begrænset af omfang/størrelse dilemmaet. Ud over, forskerne har med succes modelleret – og benchmarket den nye beregningsmodelleringsteknik med – RNA-baserede nanostrukturer.

Forskerholdet – Adelene Y. L. Sim i Institut for Anvendt Fysik, og Prof. Michael Levitt og Dr. Peter Minary i Institut for Strukturel Biologi – stod over for en række udfordringer med at udtænke deres unikke algoritme. taler med PhysOrg , Minary og Sim beskriver disse udfordringer. "Reduktion af dimensionalitet kan eliminere fysisk relevante stier, der forbinder konformationelle bassiner og derfor indføre kunstige energibarrierer, der ikke udgør forhindringer i det kartesiske rum, ” fortæller Minary PhysOrg . "I den foreliggende sag, den største udfordring var at udvikle en algoritme, der understøtter frihedsgrader, der repræsenterer vilkårlige kollektive omarrangeringer ved opløsning af alle atomer."

Desværre, Minære noter, ved at bruge disse frihedsgrader, eller DOF'er, kunne bryde kædeforbindelsen - og det tilsvarende konformationelle rum vil sandsynligvis være forbundet med ekstremt ru energioverfladetopologi. "For at overvinde disse begrænsninger, " tilføjer han, "mindre kollektive omarrangeringer skal kun bruges i et nødvendigt omfang, så omarrangeringer langs de mere kollektive DOF'er lettes optimalt uden væsentligt at øge volumenet af det samplede konformationsrum." Kort sagt, deres største udfordring var at implementere en universel algoritme, der er i stand til at udforske konformationelt rum, mens det tillader adskillige sæt af vilkårlige og/eller brugerdefinerede såkaldte naturlige DOF'er.

Holdet behandlede disse problemer, Minary siger, ved at bygge videre på det allerede eksisterende højniveau-beregningsmiljø i MOSAICS-softwarepakken, der muliggjorde brugen af ​​vilkårlige, lige kædebrud DOF'er. "For yderligere at forbedre dette koncept, " tilføjer han, "Der skulle opfindes en meget fleksibel ny grænseflade, der byder brugerne velkommen til at definere deres egne systemspecifikke DOF'er. Ud over, grænsefladen skulle også understøtte den vægtede superposition af vilkårlige DOF'er. Endelig en universel algoritme, der realiserer interaktionen mellem forskellige sæt DOF'er, der skal implementeres." Ved at gøre det, konformationelle veje langs de mest kollektive molekylære omarrangementer forstærkes af inkorporeringen af ​​gradvist mere detaljeret molekylær fleksibilitet uden væsentligt at ændre dimensionalitetsproblemet, hvilket er bedre kvantificeret af det konformationelle volumen, der skal prøves, snarere end det faktiske antal DOF'er.

Andre innovationer er også på vej. "I det aktuelle papir viste vi, at vores algoritme opfylder nogle nødvendige betingelser for faserum, eller detaljeret balance, bevare prøvetagning, der ikke er opfyldt af nogen af ​​de tilgængelige algoritmer, der bruges til at modellere RNA-systemer, ” Minære noter. "Yderligere indsats er investeret for fuldt ud at tilfredsstille mikroskopisk reversibilitet." I øvrigt, beregningseffektiviteten kan forbedres ved at bruge information om den kollektive karakter af DOF'er ved opdatering af atomare interaktioner, eller ved at definere energifunktionelle former i form af lavdimensionelle analytiske koordinater. Minary påpeger, at samplingseffektiviteten også kunne forbedres, hvis den nuværende tilgang kombineres med nogle avancerede samplingsalgoritmer baseret på multi-kanonisk sampling tilgængelig i MOSAICS.

Ud over, han fortsætter, bevægelsen af ​​eksplicit vand kunne inkorporeres i de hierarkiske bevægelser, så effekter af solvatisering kan evalueres mere præcist - og testning af metoden med forskellige implicitte opløsningsmiddelrepræsentationer kan også være informativ. "Endelig, " han siger, "Vi planlægger at introducere en mere brugervenlig - muligvis grafisk - grænseflade, der vil bygge bro mellem algoritmeudviklere og beregningsbiologer, fysikere og kemikere, der har stor indsigt og intuition om de naturlige DOF'er i forskellige molekylære samlinger og komplekser." Alt i alt, alle ovenstående bestræbelser, hvilket ville øge den matematiske stringens, beregningshastighed, opløsningsmiddeldetaljer og tilgængelighed for brugere, kan yderligere udvide grænserne for applikationer ud over de nuværende systemer, der overvejes.

I mellemtiden, mens du udvikler alle de nødvendige algoritmer diskuteret ovenfor, teamet planlægger at fortsætte med at udvide rækken af ​​målapplikationer. "Udover at modellere strukturen af ​​kromatin, Minary illustrerer, "Vi vil gerne gense spørgsmål inden for DNA-nanoteknologi." Desuden, brugen af ​​en anden forfiningsmetode end Cryo-EM (Cryo-Electron Microscopy, en form for transmissionselektronmikroskopi, hvor prøver studeres ved kryogene temperaturer, og som holdet allerede forfølger) er også planlagt.

"Vi har til hensigt at udvide vores arbejde til i vid udstrækning at udforske RNA-forbindelsesfleksibilitet, tilføjer Sim, "og undersøger også i øjeblikket at bruge vores teknik til forudsigelse af RNA-struktur af store RNA-systemer." Med hensyn til applikationer, Sim fortsætter, "i medicin er det vigtigt at forstå fleksibiliteten, stabilitet, form og mulige forvrængninger af nanostrukturer for bedre at kunne evaluere nanostrukturens kvalitet. Disse egenskaber kan spille en afgørende rolle i at diktere cellulær internalisering og/eller toksicitet af nanostrukturer."

Sim påpeger, at med deres effektive modelleringsværktøj, selvom det stadig afhænger af kvaliteten af ​​det anvendte kraftfelt, holdet er nu mere i stand til at studere disse egenskaber i silico . "Desuden "Sim bemærker, "Vi ser på optimering i sekvens- og strukturrum samtidigt ved at have sekvens som en ekstra grad af frihed." En mulig anvendelse er sekvensdesignet af silencing RNA, eller siRNA.

Ser man længere væk, Minary fortæller PhysOrg , der er andre teknologier og applikationer, der kan drage fordel af deres resultater. "Da korrekt prøveudtagning og udforskning af det konformationelle rum er et grundlæggende værktøj, der bruges i forskellige teknologier og applikationer, metoden kunne bruges i design, homologimodellering og forskellige nye applikationer såsom modellering af kollektive omlejringer i transmembranproteiner, design af nye nukleinsyrenanostrukturer, modellering af store protein-nukleinsyresamlinger, sådan et ribosom, og i silico undersøgelse af kromatin remodeling. Ud over, " tilføjer han, "Vi vil gerne hjælpe med forfining og fortolkning af eksperimentelle teknikker." Specifikt, bygger på tidligere bestræbelser på at forfine Cryo-EM-data, de vil gerne udvikle værktøjer til at analysere NMR, FRET, SAXS, røntgen, og footprinting eksperimenter for at generere konformationelle ensembler, der opfylder eksperimentelle begrænsninger.

Endelig, Minary påpeger, at den algoritme, de udviklede, er meget generel og kan også bruges i andre discipliner, der involverer tilstandsrum med et stort antal variabler, der ændrer sig på en korreleret måde. "I særdeleshed, " slutter han, "grundidéen kunne bruges, men ikke begrænset til at tage prøver af rummet af mulige netværk, som i systembiologiapplikationer, eller aktiemarkedsvariabler."

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.