Realistisk membranmodellering ved bruk av komplekse lipidblandinger i simuleringsstudier

Membranlipiddiversitet i struktur og sammensetning er en viktig bidragsyter til cellulære prosesser og kan være en markør for sykdom. Molekylær dynamikk simuleringer tillate oss å studere membraner og deres interaksjoner med biomolekyler ved atomistisk oppløsning. Her tilbyr vi en protokoll for å bygge, kjøre og analysere komplekse membransystemer.

Lipider er strukturelle byggesteiner i cellemembraner; Lipidarter varierer på tvers av celleorganeller og på tvers av organismer. Denne variasjonen resulterer i forskjellige mekaniske og strukturelle egenskaper i membranen som direkte påvirker molekylene og prosessene som forekommer ved dette grensesnittet. Lipidsammensetning er dynamisk og kan tjene til å modulere cellesignaleringsprosesser. Beregningsmetoder brukes i økende grad til å forutsi interaksjoner mellom biomolekyler og gi molekylær innsikt til eksperimentelle observables. Molekylær dynamikk (MD) er en teknikk basert på statistisk mekanikk som forutsier bevegelsen av atomer basert på kreftene som virker på dem. MD-simuleringer kan brukes til å karakterisere samspillet mellom biomolekyler. Her presenterer vi kort teknikken, skisserer praktiske trinn for nybegynnere som er interessert i å simulere lipid-dobbeltlag, demonstrerer protokollen med nybegynnervennlig programvare og diskuterer alternativer, utfordringer og viktige hensyn til prosessen. Spesielt legger vi vekt på relevansen av å bruke komplekse lipidblandinger for å modellere en cellemembran av interesse for å fange de aktuelle hydrofobe og mekaniske miljøene i simulering. Vi diskuterer også noen eksempler der membransammensetning og egenskaper modulerer samspillet mellom bilayers med andre biomolekyler.

Lipider er viktige bestanddeler av membraner, som gir grenser for celler og muliggjør intracellulær compartmentalization ^1,2,3. Lipider er amfifile, med en polar hodegruppe og to hydrofobe fettsyrehaler; Disse monteres selv i et dobbeltlag for å minimere kontakt mellom de hydrofobe kjedene med vann ^3,4. Ulike kombinasjoner av hydrofile hodegrupper og hydrofobe haler resulterer i forskjellige klasser av lipider i biologiske membraner, som glycerofosfolipider, sfingolipider og steroler (figur 1⁾

1. Bygge systemkoordinatene

1. Naviger til CHARMM-GUI.org (C-GUI) ved hjelp av en nettleser. Naviger til Input Generator på toppmenyen, og velg deretter Membrane Builder fra de vertikale alternativene på venstre side av skjermen.
2. Hvis du vil bygge et dobbeltlag, velger du Bilayer Builder.
   MERK: Førstegangsbrukere må aktivere gratiskontoen sin før de bygger sitt første sett med koordinater.
3. Velg Membrane Only Sy.......

For å illustrere bruken av protokollen og resultatene som kan oppnås, diskuteres en sammenligningsstudie for membranmodeller for endoplasmatisk retikulum (ER). De to modellene i denne studien var (i) PI-modellen, som inneholder de fire øverste lipidartene som finnes i ER, og (ii) PI-PS-modellen, som la til den anioniske fosfatidylserin (PS) lipidarten. Disse modellene ble senere brukt i en studie av et viralt protein og hvordan det interagerer med membranen, interessen for PS har blitt sitert som viktig for permeabili.......

Eksperimentelle teknikker kan visualisere biomolekyler i høy oppløsning ved hjelp av kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM)⁵⁸, fluorescensteknikker og atomkraftmikroskopi (AFM)⁵⁹. Det er imidlertid utfordrende å fange samspillet og dynamikken i molekylære interaksjoner som ligger til grunn for biologiske veier, sykdomspatogenese og terapeutisk levering på atom- eller aminosyrenivå. Her ble evnen til MD-simuleringer for å studere lipidmembraner og hovedtrinnene for å desi.......

Forfatterne takker Jinhui Li og Ricardo X. Ramirez for deres simuleringsbaner og diskusjoner under skrivingen av dette manuskriptet. OC ble støttet av University at Buffalo Presidential Fellowship og National Institute of Health's Initiative for Maximizing Student Development Training Grant 1T32GM144920-01 tildelt Margarita L. Dubocovich (PI).