Modelagem Realística de Membranas Utilizando Misturas Lipídicas Complexas em Estudos de Simulação

Resumo

A diversidade lipídica da membrana em estrutura e composição é um importante contribuinte para os processos celulares e pode ser um marcador de doença. Simulações de dinâmica molecular permitem estudar membranas e suas interações com biomoléculas em resolução atomística. Aqui, fornecemos um protocolo para construir, executar e analisar sistemas complexos de membrana.

Resumo

Os lipídios são blocos de construção estruturais das membranas celulares; As espécies lipídicas variam entre organelas celulares e entre organismos. Essa variedade resulta em diferentes propriedades mecânicas e estruturais na membrana que impactam diretamente as moléculas e processos que ocorrem nessa interface. A composição lipídica é dinâmica e pode servir para modular processos de sinalização celular. Abordagens computacionais são cada vez mais usadas para prever interações entre biomoléculas e fornecer insights moleculares para observáveis experimentais. A dinâmica molecular (DM) é uma técnica baseada na mecânica estatística que prevê o movimento dos átomos com base nas forças que atuam sobre eles. Simulações MD podem ser usadas para caracterizar a interação de biomoléculas. Aqui, apresentamos brevemente a técnica, descrevemos passos práticos para iniciantes que estão interessados em simular bicamadas lipídicas, demonstramos o protocolo com software amigável para iniciantes e discutimos alternativas, desafios e considerações importantes do processo. Particularmente, enfatizamos a relevância do uso de misturas lipídicas complexas para modelar uma membrana celular de interesse para capturar os ambientes hidrofóbicos e mecânicos apropriados em simulação. Também discutimos alguns exemplos em que a composição e as propriedades da membrana modulam as interações das bicamadas com outras biomoléculas.

Introdução

Os lipídios são os principais constituintes das membranas, que fornecem limites para as células e permitem a compartimentalização intracelular ^1,2,3. Os lipídios são anfifílicos, com um grupo de cabeça polar e duas caudas de ácidos graxos hidrofóbicos; Estes se auto-agrupam em uma bicamada para minimizar o contato das cadeias hidrofóbicas com a água ^3,4. Várias combinações de grupos cabeçais hidrofílicos e caudas hidrofóbicas resultam em diferentes classes de lipídios nas membranas biológicas, como glicerofosfolipídio....

Protocolo

1. Construção das coordenadas do sistema

1. Navegue até CHARMM-GUI.org (C-GUI) usando um navegador da Web. No menu superior, navegue até Gerador de Entrada e selecione Construtor de Membranas nas opções verticais no lado esquerdo da tela.
2. Para criar uma bicamada, selecione Bilayer Builder.
   NOTA: Os usuários pela primeira vez devem ativar sua conta gratuita antes de criar seu primeiro conjunto de coordenadas.
3. Selecione Sistema Somente Membrana. Salve o JOB ID gerado para recuperar o sistema e continuar de onde parou durante o processo, se necessário.

Discussão

Técnicas experimentais podem visualizar biomoléculas em alta resolução usando microscopia crioeletrônica (cryo-EM)⁵⁸, técnicas de fluorescência e microscopia de força atômica (AFM)⁵⁹. No entanto, é desafiador capturar a interação e a dinâmica das interações moleculares subjacentes às vias biológicas, à patogênese da doença e à liberação terapêutica em nível atômico ou de aminoácidos. Aqui, as capacidades das simulações MD para estudar membranas .......

Materiais

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