Новое исследование смоделировало важный первый шаг в самосборке клеточных структур, таких как рецепторы лекарств и другие белковые комплексы, и обнаружило, что гибкость структур оказывает существенное влияние на скорость соединения двух таких структур. вместе.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, изучалось, что происходит, когда две водоотталкивающие поверхности соединяются для создания более сложных структур. Используя молекулярное моделирование, исследователи проиллюстрировали механизм, по которому происходит этот процесс, и изучили факторы, способствующие самосборке.
Неожиданным открытием стала чувствительность, с которой гибкость поверхностей определяла скорость, с которой поверхности в конечном итоге соединялись, при этом более гибкие поверхности способствовали соединению. «Гибкость похожа на ручку, которую природа может настроить для управления самосборкой молекул», - сказал Пабло Дебенедетти, старший автор исследования и декан Принстона по исследованиям. Дебенедетти является профессором инженерных и прикладных наук 1950 года, а также профессором химической и биологической инженерии.
Исследователи давно интересовались тем, как биологические структуры могут самособираться в соответствии с физическими законами. Открытие секретов самосборки может, например, привести к новым методам создания наноматериалов для будущих электронных устройств. Самособирающиеся белковые комплексы лежат в основе не только рецепторов лекарств, но и многих других клеточных структур, в том числе ионных каналов, облегчающих передачу сигналов в головной мозг.
Исследование продемонстрировало процесс объединения двух водоотталкивающих или гидрофобных структур. В начале моделирования две поверхности были разделены водной средой. Исследователи знали из предыдущих исследований, что эти поверхности из-за своей гидрофобной природы будут отталкивать молекулы воды до тех пор, пока в зазоре не останется очень мало молекул воды. Испарение последних нескольких молекул позволяет двум поверхностям соединиться.
Новое молекулярное моделирование, проведенное в Принстоне, позволило более детально изучить механизм этого процесса. В моделировании, когда поверхности расположены достаточно близко друг к другу, их гидрофобная природа вызывает колебания количества молекул воды в зазоре, в результате чего жидкая вода испаряется и образует пузырьки на поверхностях. Пузыри росли по мере того, как испарялось больше молекул воды. В конце концов два пузырька на каждой поверхности соединились, образуя трубку с зазором, которая расширялась и выталкивала всю оставшуюся воду, пока две поверхности не столкнулись.
Биологические поверхности, такие как клеточные мембраны, являются гибкими, поэтому исследователи изучили, как гибкость поверхностей влияет на этот процесс. Исследователи настраивали гибкость поверхностей, изменяя силу связи между поверхностными атомами. Чем сильнее связь, тем меньше каждый атом может колебаться относительно своих соседей.
Исследователи обнаружили, что скорость, с которой две поверхности соединяются, в значительной степени зависит от их гибкости. Небольшие изменения в гибкости привели к большим изменениям в скорости слипания поверхностей. Например, две очень гибкие поверхности слиплись всего за наносекунды, тогда как две негибкие поверхности сплавились невероятно медленно, порядка секунд.
Другое открытие заключалось в том, что последний шаг в процессе, когда испарительная трубка расширяется, имеет решающее значение для обеспечения соединения поверхностей. В симуляциях, где трубе не удавалось расшириться, поверхности никогда не соединялись. Исследователи обнаружили, что гибкость была ключом к расширению трубки. Повышение гибкости материала снизило барьеры для испарения и стабилизировало паровую трубку, увеличив вероятность того, что трубка расширится.
Молекулярное моделирование обеспечивает основу для понимания того, как собираются и функционируют биологические структуры, по словам Элии Альтабет, аспиранта группы Дебенедетти и первого автора исследования. «Более глубокое понимание формирования и функции белковых комплексов, таких как рецепторы лекарств и ионные каналы, может помочь в разработке новых лекарств для лечения заболеваний», - сказал он..