اولین شبیه سازی یک اندازه کامل غشاء میتوکندری

دانشمندان از دانشگاه گرونینگن را توسعه داده اند روش که ترکیبی از سطوح مختلف قطعنامه در یک شبیه سازی کامپیوتری از غشاهای بیولوژیکی. الگوریتم خود را backmaps در مقیاس بزرگ در یک مدل است که شامل ویژگی های مانند غشاء انحنای متناظر با آن دانه درشت مولکولی ، این اجازه داده است آنها را به زوم بر روی سم ناشی از غشاء جوانه زدن و شبیه سازی یک اندازه کامل میتوکندری لیپیدی غشاء و فرآیندهای غشایی. رویکرد خود را که منتشر شده در مجله Nature Communications در 8 مه راه را به تمام سلول های شبیه سازی در سطح مولکولی.

دینامیک مولکولی شبیه سازی یک ابزار قدرتمند برای مطالعه حرکات و فعل و انفعالات از اتم ها و مولکول ها. اما در بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی در مقیاس بزرگ تغییر در, برای مثال, غشاء و فرآیندهای غشایی شکل مهم هستند. 'این شکل تغییرات از اهمیت اساسی به همراه عملکرد,' توضیح می دهد Siewert-Jan Marrink استاد دینامیک مولکولی در دانشگاه گرونینگن. 'زمان و طول مقیاس از این غشاء به شکل تغییرات بیش از حد بزرگ برای شبیه سازی در یک مولکولی قطعنامه است.'

حتی اگر افزایش قدرت محاسباتی اجازه می دهد تا پیچیده تر و طولانی تر شبیه سازی سازه های همراه مانند میتوکندری هنوز هم فراتر از آن برسد. به همین دلیل است که دینامیک مولکولی گروه طراحی و توسعه یک الگوریتم که لینک مقیاس تغییرات در سطح مولکولی شبیه سازی. برای میتوکندری آنها آغاز شده و با یک تصویر میکروسکوپ الکترونی و چگالی نقشه. این تراکم به ترجمه شد ليپيد سازه و اینها استفاده می شود به عنوان ورودی برای یک دینامیک مولکولی شبیه سازی با دانه درشت (CG) مارتینی میدان نیروی قبلا توسعه یافته توسط Marrink.

'بخشی از مشکل این است که به جای چربی های خون در جهت گیری صحیح در این تراکم نقشه است که به خصوص به چالش کشیدن در خم مناطق' می افزاید: Wria Pezeshkian, یک پژوهشگر فوق دکترا در Marrink تیم و همکاری نویسنده این مقاله است. الگوریتم اجازه می دهد تا کاربران برای اضافه کردن انواع مختلف چربي به غشاء در یک بسته بندی واقع بینانه سطح. با استفاده از این رویکرد Marrink و همکارانش قادر به شبیه سازی کل لیپید غشا از یک mitochondrion برای دو nanoseconds. Pezeshkian: 'این ساختار شامل بیش از پنج میلیون چربی است که بدان معنی است که شبیه سازی برای مقابله با 80 میلیون ذرات به عنوان هر ليپيد مولکول متشکل از چندین ذرات است.'

با توجه به اندازه و شکل این شبیه سازی و پیچیدگی است که بزرگتر از هر گونه شبیه سازی انجام شده قبلا. 'یک شبیه سازی از میکروثانیه می شده اند ممکن است اما همانطور که ما تا به حال هیچ اطلاعاتی در مورد بومی سازی پروتئین در غشای میتوکندری آن تنها حاوی چربی است و بنابراین ناپایدار,' توضیح می دهد Marrink. اضافه کردن این پیچیدگی اضافی برای شبیه سازی است که قطعا امکان پذیر است و در حال حاضر در حال پیشرفت است.

به جای استفاده از یک نقشه تراکم ورودی برای سیستم همچنین می تواند یک زنجیره که نشان دهنده سطح غشاء به عنوان مثلث ساخته شده از گره ها که به هم متصل هستند توسط 'چشمه'. چنین مدلی می تواند محاسبه نیروهای تولید شده توسط غشاء و فرآیندهای تغییر شکل. Backmapping چربی و پروتئین سم بر روی قطعات مربوطه از این مدل اجازه Marrink و همکاران خود را به زوم بر روی مولکولی رفتار در ساقه یک غشاء جوانه که ناشی از این اقدام مشترک از بسیاری از سموم است.

'هدف نهایی ما این است که برای شبیه سازی کل یک سلول یوکاریوتی و زوم بر روی قسمت های خاصی از این شی' می گوید Marrink. این است که در حال حاضر خارج از دسترس اگر چه این سیستم در حال حاضر در حال حاضر اجازه می دهد تا شبیه سازی از اشیاء در داخل یک سلول مانند شبکه آندوپلاسمی یا Golgi دستگاه. "و ما احتمالا می تواند شبیه سازی سلول های قرمز خون.'

ساده و مصنوعی همراه ممکن است به زودی در دسترس است. Marrink درگیر در یک پروژه با هدف ایجاد مصنوعی همراه است و قادر به شبیه سازی فرآیندهای مانند تقسیم سلولی کمک می کند طراحی آن است. "ما واقعا می خواهم به می دانم که چربیها و پروتئین ها می تواند نقش مهمی در سلول انقباض طول را بدست آورد.'

###

دانشمندان با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری برای مطالعه برهمکنش مولکول ها در سلول های. بسیاری از فعل و انفعالات هستند و تحت تاثیر فرآیندهای در یک زمان و طول مقیاس است که فراتر از محدودیت های فعلی برای شبیه سازی مولکولی. دانشمندان از دانشگاه گرونینگن بنابراین ایجاد یک سیستم که در آن آنها با استفاده از ورودی از هر دو تراکم نقشه و یا در مقیاس بزرگ مدل و زوم بر روی انتخاب قطعات. این پس از آن مورد مطالعه با استفاده از دقیق شبیه سازی در سطح مولکولی. با استفاده از این روش آنها را با موفقیت شبیه سازی کل غشاء یک mitochondrion زیادی organelle داخل سلول. این روش قادر به شبیه سازی انواع سلول organelles و یک سنگ پله به سمت شبیه سازی کل سلول.

مرجع: Weria Pezeshkian, ملانی König, Tsjerk A. Wassenaar و Siewert J. Marrink: Backmapping سطوح مثلث به درشت دانه غشاء مدل های. ارتباطات طبیعت, 8 مارس سال 2020

سلب مسئولیت: AAAS و EurekAlert! مسئول صحت اخبار منتشر شده به EurekAlert! با کمک موسسات و یا برای استفاده از هر گونه اطلاعات از طریق EurekAlert سیستم.