Группа исследователей из RIKEN и Мичиганского государственного университета использовала мощный компьютер K, чтобы показать, как молекулы движутся в очень тесном внутреннем пространстве бактериальной клетки.
Исследования in vitro - исследования, проводимые в пробирках, - дали нам прекрасное представление о том, как молекулы взаимодействуют друг с другом. Однако на самом деле мало что известно о том, как они взаимодействуют in vivo - в реальных клетках, - потому что из-за скученности они могут действовать таким образом, который трудно смоделировать в пробирках. Примерно 70 процентов цитозоля состоит из воды, а остальные 30 процентов состоят из макромолекул, таких как рибосомы, биомолекул, таких как белки и ДНК, метаболитов, таких как АТФ и аминокислоты, и ионов.
Для исследования, опубликованного в eLife, группа смоделировала внутреннюю часть самой маленькой из известных бактерий - Mycoplasma genitalium, длина которой составляет примерно 400 нанометров (один нанометр равен 1 миллиардной части метра), и динамически смоделировала примерно одну триллионов атомов внутри клетки, что делает это одним из крупнейших молекулярно-динамических расчетов, выполненных на сегодняшний день. Моделирование было выполнено с помощью GENESIS, программы массовой параллельной молекулярной динамики, разработанной в RIKEN. Расчеты, в которых использовалось 65 536 вычислительных ядер компьютера K, заняли несколько месяцев, несмотря на мощность суперкомпьютера.
Результаты исследования ставят под сомнение преобладающее предположение о том, что в переполненной клеточной среде взаимодействия между молекулами в первую очередь определяются явлением, известным как «эффект исключения объема», означающим, что молекулы монополизируют определенный объем растворитель - в данном случае вода - в растворе вокруг них, не позволяя другим молекулам занимать это пространство. Напротив, моделирование показало, что другие взаимодействия, такие как электростатические между заряженными молекулами, играют важную роль.
Иссеки Ю из RIKEN iTHES, первый автор исследования, говорит: «Эта работа показала нам, что существуют большие различия между условиями in vitro и условиями in vivo в клетке. Мы нашли доказательства взаимодействия помимо «эффекта исключения объема», включая белок-белковые взаимодействия и электростатические взаимодействия с ионами и метаболитами. Их необходимо учитывать при интерпретации исследований in vitro».
По словам Юдзи Сугиты, одного из руководителей исследовательской группы, у которого есть лаборатории в iTHES, а также в Центре количественной биологии RIKEN и Институте передовых вычислительных наук RIKEN: «Это исследование приблизило нас на один шаг к мечта о моделировании полной клетки на молекулярном уровне. Работа также будет способствовать разработке лекарств, поскольку предыдущие исследования обычно рассматривали взаимодействия между белками и одним соединением-кандидатом в воде. Теперь мы сможем также анализировать взаимодействия между соединением-кандидатом и другими молекулами в переполненной клеточной среде». Сугита продолжает: «Одно из ограничений этого исследования заключается в том, что из-за требуемой огромной вычислительной короткие симуляции. Мы считаем, что это все еще точно, но надеемся, что сможем выполнить эту работу на еще более мощных компьютерах будущего, чтобы уменьшить статистическую неопределенность и включить в моделирование другие взаимодействия, такие как геномная ДНК и элементы цитоскелета».
Майкл Фейг, руководитель проекта в Мичиганском государственном университете, который также связан с Центром количественной биологии RIKEN, говорит: «Эта работа является большим шагом вперед к моделированию всей клетки в атомистических деталях, что в конечном итоге позволит нам связать то, что мы знаем на молекулярном уровне, с биологической функцией на клеточном уровне».