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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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....

Protocol

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.......

Discussion

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 .......

Materials

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