Realistische Membranmodellierung anhand komplexer Lipidmischungen in Simulationsstudien

Zusammenfassung

Die Lipidvielfalt der Membran in Struktur und Zusammensetzung ist ein wichtiger Faktor für zelluläre Prozesse und kann ein Marker für Krankheiten sein. Molekulardynamik-Simulationen ermöglichen es uns, Membranen und ihre Wechselwirkungen mit Biomolekülen mit atomistischer Auflösung zu untersuchen. Hier stellen wir ein Protokoll zur Verfügung, um komplexe Membransysteme zu bauen, zu betreiben und zu analysieren.

Zusammenfassung

Lipide sind strukturelle Bausteine von Zellmembranen; Die Lipidspezies variieren zwischen den Zellorganellen und zwischen den Organismen. Diese Vielfalt führt zu unterschiedlichen mechanischen und strukturellen Eigenschaften in der Membran, die sich direkt auf die Moleküle und Prozesse auswirken, die an dieser Grenzfläche ablaufen. Die Zusammensetzung der Lipide ist dynamisch und kann dazu dienen, Signalprozesse in der Zelle zu modulieren. Computergestützte Ansätze werden zunehmend eingesetzt, um Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen vorherzusagen und molekulare Einblicke in experimentelle Observablen zu liefern. Molekulardynamik (MD) ist eine auf statistischer Mechanik basierende Technik, die die Bewegung von Atomen basierend auf den Kräften, die auf sie einwirken, vorhersagt. MD-Simulationen können verwendet werden, um die Wechselwirkung von Biomolekülen zu charakterisieren. Hier stellen wir die Technik kurz vor, skizzieren praktische Schritte für Anfänger, die an der Simulation von Lipiddoppelschichten interessiert sind, demonstrieren das Protokoll mit einsteigerfreundlicher Software und diskutieren Alternativen, Herausforderungen und wichtige Überlegungen zum Prozess. Insbesondere betonen wir die Relevanz der Verwendung komplexer Lipidmischungen zur Modellierung einer Zellmembran von Interesse, um die geeigneten hydrophoben und mechanischen Umgebungen in der Simulation zu erfassen. Wir diskutieren auch einige Beispiele, bei denen die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Membran die Wechselwirkungen von Doppelschichten mit anderen Biomolekülen modulieren.

Einleitung

Lipide sind Hauptbestandteile von Membranen, die den Zellen Grenzen bilden und eine intrazelluläre Kompartimentierung ermöglichen ^1,2,3. Lipide sind amphiphil, mit einer polaren Kopfgruppe und zwei hydrophoben Fettsäureschwänzen; Diese fügen sich selbst zu einer Doppelschicht zusammen, um den Kontakt der hydrophoben Ketten mit Wasser zu minimieren ^3,4. Verschiedene Kombinationen von hydrophilen Kopfgruppen und hydrophoben Schwänzen führen zu unterschiedlichen Klassen von Lipiden in biologischen Membranen, wie z. B. Gl....

Protokoll

1. Erstellen der Systemkoordinaten

1. Navigieren Sie mit einem Webbrowser zu CHARMM-GUI.org (C-GUI). Navigieren Sie im oberen Menü zu Input Generator und wählen Sie dann Membrane Builder aus den vertikalen Optionen auf der linken Seite des Bildschirms aus.
2. Um einen Bilayer zu erstellen, wählen Sie Bilayer Builder aus.
   HINWEIS: Erstbenutzer müssen ihr kostenloses Konto aktivieren, bevor sie ihren ersten Koordinatensatz erstellen.
3. Wählen Sie Nur Membransystem aus. Speichern Sie die generierte JOB-ID, um das System abzurufen, und fahren Sie bei Bedarf an der....

Diskussion

Experimentelle Techniken können Biomoleküle mit hoher Auflösung unter Verwendung von Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM)⁵⁸, Fluoreszenztechniken und Rasterkraftmikroskopie (AFM)⁵⁹ visualisieren. Es ist jedoch eine Herausforderung, das Zusammenspiel und die Dynamik molekularer Wechselwirkungen zu erfassen, die biologischen Signalwegen, der Krankheitspathogenese und der therapeutischen Verabreichung auf atomarer oder Aminosäureebene zugrunde liegen. Hier wurden die Mögl.......

Materialien

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