Modélisation membranaire réaliste à l’aide de mélanges lipidiques complexes dans des études de simulation

La diversité des lipides membranaires dans leur structure et leur composition est un contributeur important aux processus cellulaires et peut être un marqueur de maladie. Les simulations de dynamique moléculaire nous permettent d’étudier les membranes et leurs interactions avec les biomolécules à une résolution atomistique. Ici, nous fournissons un protocole pour construire, exécuter et analyser des systèmes membranaires complexes.

Les lipides sont des éléments constitutifs structurels des membranes cellulaires ; Les espèces lipidiques varient d’un organite cellulaire à l’autre et d’un organisme à l’autre. Cette variété se traduit par différentes propriétés mécaniques et structurelles dans la membrane qui ont un impact direct sur les molécules et les processus qui se produisent à cette interface. La composition lipidique est dynamique et peut servir à moduler les processus de signalisation cellulaire. Les approches computationnelles sont de plus en plus utilisées pour prédire les interactions entre les biomolécules et fournir des informations moléculaires aux observables expérimentales. La dynamique moléculaire (MD) est une technique basée sur la mécanique statistique qui prédit le mouvement des atomes en fonction des forces qui agissent sur eux. Les simulations de DM peuvent être utilisées pour caractériser l’interaction des biomolécules. Ici, nous présentons brièvement la technique, décrivons les étapes pratiques pour les débutants qui s’intéressent à la simulation de bicouches lipidiques, démontrons le protocole avec un logiciel convivial pour les débutants et discutons des alternatives, des défis et des considérations importantes du processus. En particulier, nous soulignons la pertinence de l’utilisation de mélanges lipidiques complexes pour modéliser une membrane cellulaire d’intérêt afin de capturer les environnements hydrophobes et mécaniques appropriés en simulation. Nous discutons également de quelques exemples où la composition et les propriétés membranaires modulent les interactions des bicouches avec d’autres biomolécules.

Les lipides sont des constituants majeurs des membranes, qui fournissent des limites aux cellules et permettent la compartimentation intracellulaire ^1,2,3. Les lipides sont amphiphiles, avec un groupe de tête polaire et deux queues d’acides gras hydrophobes ; Ceux-ci s’auto-assemblent en une bicouche pour minimiser le contact des chaînes hydrophobes avec l’eau ^3,4. Diverses combinaisons de groupes de têtes hydrophiles et de queues hydrophobes donnent lieu à différentes classes de lipides dans les membranes biologiques....

1. Construire les coordonnées du système

1. Accédez à CHARMM-GUI.org (C-GUI) à l’aide d’un navigateur Web. Dans le menu supérieur, accédez à Générateur d’entrées, puis sélectionnez Membrane Builder dans les options verticales sur le côté gauche de l’écran.
2. Pour créer un bicalque, sélectionnez Générateur de bicalques.
   REMARQUE : Les nouveaux utilisateurs doivent activer leur compte gratuit avant de créer le.......

Pour illustrer l’utilisation du protocole et les résultats qui peuvent être obtenus, une étude comparative pour des modèles membranaires pour le réticulum endoplasmique (RE) est discutée. Les deux modèles de cette étude étaient (i) le modèle PI, qui contient les quatre principales espèces lipidiques trouvées dans le RE, et (ii) le modèle PI-PS, qui a ajouté les espèces lipidiques anioniques phosphatidylsérine (PS). Ces modèles ont ensuite été utilisés dans une étude d’une protéine virale et de l.......

Les techniques expérimentales permettent de visualiser les biomolécules à haute résolution à l’aide de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM)⁵⁸, des techniques de fluorescence et de la microscopie à force atomique (AFM)⁵⁹. Cependant, il est difficile de saisir l’interaction et la dynamique des interactions moléculaires qui sous-tendent les voies biologiques, la pathogenèse de la maladie et l’administration thérapeutique au niveau atomique ou des acides a.......

Les auteurs remercient Jinhui Li et Ricardo X. Ramirez pour leurs trajectoires de simulation et leurs discussions lors de la rédaction de ce manuscrit. O.C. a bénéficié du soutien de la bourse présidentielle de l’Université de Buffalo et de la subvention de formation 1T32GM144920-01 de l’Initiative for Maximizing Student Development de l’Institut national de la santé, attribuée à Margarita L. Dubocovich (PI).