시뮬레이션 연구에서 복잡한 지질 혼합물을 사용한 사실적인 막 모델링

요약

구조와 구성의 막 지질 다양성은 세포 과정에 중요한 기여를 하며 질병의 표지자가 될 수 있습니다. 분자 역학 시뮬레이션을 통해 원자 분해능에서 멤브레인과 생체 분자와의 상호 작용을 연구할 수 있습니다. 여기에서는 복잡한 멤브레인 시스템을 구축, 실행 및 분석하기 위한 프로토콜을 제공합니다.

초록

지질은 세포막의 구조적 구성 요소입니다. 지질 종은 세포 소기관과 유기체에 따라 다릅니다. 이러한 다양성은 멤브레인에서 서로 다른 기계적 및 구조적 특성을 발생시켜 이 계면에서 발생하는 분자와 과정에 직접적인 영향을 미칩니다. 지질 조성은 동적이며 세포 신호 전달 과정을 조절하는 역할을 할 수 있습니다. 생체 분자 간의 상호 작용을 예측하고 실험적 관찰 대상에 대한 분자 통찰력을 제공하기 위해 계산 접근 방식이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 분자 역학(MD)은 원자에 작용하는 힘을 기반으로 원자의 움직임을 예측하는 통계 역학을 기반으로 하는 기술입니다. MD 시뮬레이션은 생체 분자의 상호 작용을 특성화하는 데 사용할 수 있습니다. 여기에서는 이 기법을 간략하게 소개하고, 지질 이중층 시뮬레이션에 관심이 있는 초보자를 위한 실용적인 단계를 간략하게 설명하고, 초보자에게 친숙한 소프트웨어로 프로토콜을 시연하고, 공정의 대안, 과제 및 중요한 고려 사항에 대해 논의합니다. 특히, 복잡한 지질 혼합물을 사용하여 관심 세포막을 모델링하여 시뮬레이션에서 적절한 소수성 및 기계적 환경을 캡처하는 것의 관련성을 강조합니다. 또한 막 조성 및 특성이 다른 생체 분자와 이중층의 상호 작용을 조절하는 몇 가지 예에 대해서도 논의합니다.

서문

지질은 세포막의 주요 구성 요소로, 세포의 경계를 제공하고 세포 내 구획화를 가능하게 합니다 ^1,2,3. 지질은 양극성이며 극성 머리 그룹과 두 개의 소수성 지방산 꼬리가 있습니다. 이들은 소수성 사슬과 물 ^3,4의 접촉을 최소화하기 위해 이중층으로 자체 조립됩니다. 친수성 헤드 그룹과 소수성 꼬리의 다양한 조합은 생체막에서 글리세로인지질, 스핑고지질 및 스테롤과 같은 다양한 종류의 지질을 생성합니다(그림 1)^1,5,6. 글리세로인지질(Glycerophospholipids)은 글리세로인산염(glycerophosphate), 장쇄 지방산(long-chain fatty acids), 저분자량의 머리(head) 그룹으로 구성된 진핵 세포막의 주요 구성 요소이다⁷. 지질....

프로토콜

1. 시스템 좌표 작성

1. 웹 브라우저를 사용하여 CHARMM-GUI.org(C-GUI)로 이동합니다. 상단 메뉴에서 Input Generator로 이동한 다음 화면 왼쪽의 수직 옵션에서 Membrane Builder 를 선택합니다.
2. 이중층을 생성하려면 이중층 빌더(Bilayer Builder)를 선택하십시오.
   참고: 처음 사용자는 첫 번째 좌표 세트를 작성하기 전에 무료 계정을 활성화해야 합니다.
3. 멤브레인 전용 시스템을 선택합니다. 생성된 작업 ID를 저장하여 시스템을 검색하고 필요한 경우 프로세스 중에 중단한 부분부터 계속하십시오.
   1. 페이지 상단에 있는 상자에서 구조 보기를 클릭하거나 결과 PDB 파일을 다운로드하여 빌드 프로세스의 모든 단계에서 시스템을 시각화합니다. 누락된 성분, 선택한 입력 지질 종 또는 패치 크기의 실수를 주의하십시오.
4. 시스템의 구성 요소를 선택합니다.
   1. Heterogeneous Lipid 옵션을 선택하면 단일 성분 이중층을 구축하는 경우에도....

토론

실험 기술은 초저온 전자 현미경(Cryo-EM)⁵⁸, 형광 기술 및 원자력 현미경(AFM)⁵⁹을 사용하여 생체 분자를 고해상도로 시각화할 수 있습니다. 그러나 생물학적 경로, 질병 발병기전 및 원자 또는 아미노산 수준에서 치료 전달의 기초가 되는 분자 상호 작용의 상호 작용과 역학을 포착하는 것은 어렵습니다. 여기에서는 지질막을 연구하기 위한 MD 시뮬레이션의 기능과.......

자료

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