نمذجة الغشاء الواقعية باستخدام مخاليط الدهون المعقدة في دراسات المحاكاة

Summary

يعد تنوع الدهون الغشائية في التركيب والتكوين مساهما مهما في العمليات الخلوية ويمكن أن يكون علامة على المرض. تسمح لنا محاكاة الديناميات الجزيئية بدراسة الأغشية وتفاعلاتها مع الجزيئات الحيوية بدقة ذرية. هنا ، نقدم بروتوكولا لبناء وتشغيل وتحليل أنظمة الأغشية المعقدة.

Abstract

الدهون هي اللبنات الهيكلية لأغشية الخلايا. تختلف أنواع الليبيدات عبر عضيات الخلايا وعبر الكائنات الحية. ينتج عن هذا التنوع خصائص ميكانيكية وهيكلية مختلفة في الغشاء تؤثر بشكل مباشر على الجزيئات والعمليات التي تحدث في هذه الواجهة. تكوين الدهون ديناميكي ويمكن أن يعمل على تعديل عمليات إشارات الخلية. تستخدم الأساليب الحسابية بشكل متزايد للتنبؤ بالتفاعلات بين الجزيئات الحيوية وتوفير رؤى جزيئية للملاحظات التجريبية. الديناميات الجزيئية (MD) هي تقنية تعتمد على الميكانيكا الإحصائية التي تتنبأ بحركة الذرات بناء على القوى التي تعمل عليها. يمكن استخدام محاكاة MD لتوصيف تفاعل الجزيئات الحيوية. هنا ، نقدم بإيجاز التقنية ، ونحدد الخطوات العملية للمبتدئين المهتمين بمحاكاة طبقات الدهون المزدوجة ، ونوضح البروتوكول باستخدام برامج صديقة للمبتدئين ، ونناقش البدائل والتحديات والاعتبارات المهمة للعملية. على وجه الخصوص ، نؤكد على أهمية استخدام مخاليط الدهون المعقدة لنمذجة غشاء الخلية المهم لالتقاط البيئات الميكانيكية والكارهة للماء المناسبة في المحاكاة. نناقش أيضا بعض الأمثلة حيث يعدل تكوين الغشاء وخصائصه تفاعلات الطبقات الثنائية مع الجزيئات الحيوية الأخرى.

Introduction

الدهون هي المكونات الرئيسية للأغشية ، والتي توفر حدودا للخلايا وتمكن من التقسيم داخل الخلايا^1،2،3. الدهون هي البرمائيات ، مع مجموعة رأس قطبية واثنين من ذيول الأحماض الدهنية الكارهة للماء. تتجمع هذه ذاتيا في طبقة ثنائية لتقليل ملامسة السلاسل الكارهة للماء^{بالماء 3,4}. ينتج عن مجموعات مختلفة من مجموعات الرأس المحبة للماء والذيول الكارهة للماء فئات مختلفة من الليبيدات في الأغشية البيولوجية ، مثل الجليسيروفوسفوليبيدات ، والشحميات السفينغوبية ، والستيرول (الشكل 1) ¹،

Protocol

1. بناء إحداثيات النظام

1. انتقل إلى CHARMM-GUI.org (C-GUI) باستخدام متصفح الويب. في القائمة العلوية ، انتقل إلى مولد الإدخال ، ثم حدد Membrane Builder من الخيارات الرأسية على الجانب الأيسر من الشاشة.
2. لإنشاء طبقة ثنائية، حدد منشئ الطبقة الثنائية.
   ملاحظة: يجب على المستخدمين لأول مرة تنشيط حسابهم المجاني قبل إنشاء أول مجموعة من الإحداثيات.
3. حدد نظام الغشاء فقط. احفظ معرف JOB الذي تم إنشاؤه لاسترداد النظام والمتابعة من حيث توقفت أثناء العملية إذا لزم الأمر.
   1. تصور الأنظمة أثناء كل خطوة من خطوات عملية البناء بالنقر فوق عرض الهيكل في المرب....

النتائج

لتوضيح استخدام البروتوكول والنتائج التي يمكن الحصول عليها ، تمت مناقشة دراسة مقارنة لنماذج الأغشية للشبكة الإندوبلازمية (ER). النموذجان في هذه الدراسة هما (i) نموذج PI ، الذي يحتوي على الأنواع الدهنية الأربعة الأولى الموجودة في ER ، و (ii) نموذج PI-PS ، الذي أضاف أنواع الدهون الأنيونية فوسفاتيديل .......

Discussion

يمكن للتقنيات التجريبية تصور الجزيئات الحيوية بدقة عالية باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد (cryo-EM)⁵⁸ ، وتقنيات التألق ، ومجهر القوة الذرية (AFM)⁵⁹. ومع ذلك ، من الصعب التقاط التفاعل وديناميكيات التفاعلات الجزيئية التي تكمن وراء المسارات البيولوجية ، والتسبب في المرض.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Anaconda3	Anaconda Inc (Python & related libraries)	N/A
CHARMM-GUI.org	Im lab, Lehigh University	N/A
GROMACS	GROMACS development team	N/A
Linux HPC Cluster	UB CCR	N/A
MATLAB	MathWorks	N/A
VMD	Theoretical and Computational Biophysics Group	N/A