Биофизик РУДН смоделировал поведение элементов микротрубочек клетки для химического воздействия на их рост и распад

Биофизик РУДН смоделировал поведение элементов микротрубочек клетки для химического воздействия на их рост и распад

Биофизик РУДН смоделировал молекулярную динамику роста важнейших элементов жизнедеятельности клетки — микротрубочек. Исследователи построили модель взаимодействия субъединиц микротрубочек с учётом их внутренних и внешних связей. Результаты позволяют сформировать более полную модель динамической нестабильности микротрубочек. Это позволит подобрать химические агенты для терапии некоторых заболеваний, в том числе новообразований и нейродегенеративных патологий.

Микротрубочки — важный компонент цитоскелета, отвечающий за деление и развитие клетки. Структурная единица микротрубочки — димер тубулина, который собирается в более крупный компонент — нить протофиламента. В структуре димера тубулина также выделяют два типа молекул — ГТФ (гуанинтрифосфат) и ГДФ (гуаниндифосфат). Сейчас считается, что процесс замены молекул ГТФ на ГДФ влияет на динамику процессов сборки и разборки микротрубочки. Эти процессы приводят к так называемой динамической нестабильности микротрубочек, которая определяет транспорт веществ внутри клетки и процесс разделения хромосом при делении клетки.

Илья Коваленко из РУДН, доктор физико-математических наук, разработал компьютерную модель на основе молекулярной и броуновской динамики с учётом внешних и внутренних взаимодействий димеров тубулина. Каждый димер вовлечён в два типа внешнего взаимодействия: боковое (взаимодействие между соседними димерами по кольцу микротрубочки) и продольное (взаимодействие между соседними димерами вдоль нити микротрубочки). Модель позволяет визуализировать в динамике форму как отдельных протофиламентов (тубулиновых нитей) разной длины, так и протофиламентов, включённых в состав стенки микротрубочек.

«Броуновская динамика позволяет моделировать крупные структуры на больших временных интервалах, а молекулярная динамика позволяет наряду с электростатическими взаимодействиями учесть взаимодействия с молекулами растворителя, а также локальные и глобальные изменения тубулина» — Илья Коваленко, биофизик РУДН.

Микротрубочки довольно прочны и по своей жёсткости сравнимы с органическим стеклом. На степень жёсткости микротрубочки влияет процентное соотношение димеров с ГТФ и ГДФ димерами тубулина. ГДФ-связанные димеры всегда стремятся выгнуться из стенки микротрубочки. При этом нарушится целостность стенки и начнётся процесс её разборки, который непосредственно повлияет на степень жёсткости микротрубочки. От этих искривлений ГДФ-димеров спасают ГТФ-димеры, которые «натягивают» ГДФ-димеры и не позволяют ему выгибаться. Ранее экспериментально было показано влияние присутствия ГТФ-димеров на жёсткость микротрубочки, однако детальные механизмы этого процесса остаются неясными.

Модель, разработанная Ильей Коваленко вместе с коллегами, продемонстрировала влияние длины свободной нити протофиламента на степень её жёсткости: наращивание нити на основе димера тубулина со временем приводит к отклонению и закручиванию только концевой области нити от положения центра масс димеров. Такое изменение формы связано с влиянием продольных внешних связей между тубулиновыми димерами. Это наблюдается для димеров как с ГТФ-, так и с ГДФ-молекулами.

Также результатом моделирования стал вывод о влиянии типа молекулы (ГТФ или ГДФ) на степень гибкости внешних, но не внутренних связей для отдельной нити. До момента замены в димере тубулина ГТФ на ГДФ его внешние связи слабее внутренних на величину связи с одной фосфатной группой. При встраивании новых димеров тубулина в стенку микротрубочки ей энергетически выгоднее выпрямлять свободные искривлённые протофиламенты с ГТФ-молекулами, чем более жёсткие с ГДФ-молекулами.

Однако различие в степени сопротивления протофиламентов к выпрямлению для димеров с ГТФ и ГДФ молекулами не столь значительно, как считалось ранее. Это ставит под сомнение представление о решающей роли процесса замены ГТФ молекул на ГДФ в димере тубулина.

Если добавить во внутреннюю среду клетки препараты, замедляющие процесс присоединения нитей димеров тубулина не только с ГТФ-молекулами, но и с ГДФ-молекулами, можно добиться замедления роста микротрубочек. Такое химическое управление трубочками позволяет проводить терапию новообразований и нейродегенеративных заболеваний.

Статья в журнале PLOS Computational Biology.

Новости
Все новости
Наука
30 июля
Химик РУДН нашел способ сделать производство биотполива в 4-10 раз эффективнее с помощью кремниевой матрицы и гетерополикислот

Химик РУДН создал кремниевый молекулярный каркас для получения эфиров из отходов сельского хозяйства, древесной и бумажной промышленности. Он в 4-10 раз повышает эффективность получения эфиров, которые можно использовать как биотопливо. Это позволит снизить энергозатраты и сделает производство биотоплива дешевле. 

Наука
28 июля
Химики РУДН разработали новый путь синтеза веществ для фармацевтики

Химики РУДН предложили универсальный способ синтеза производных тиеноиндолизинов. Свойства этих веществ позволяют использовать их для создания антибактериальных и противораковых препаратов, а также в производстве новых материалов для оптоэлектроники.

Наука
26 июля
Химики РУДН разработали домино-реакцию для получения противоопухолевых препаратов

Химики РУДН предложили новую реакцию для получения сложных органических веществ в одном сосуде. Продукты синтеза оказались эффективными против клеток раковых опухолей, в том числе — устойчивых к известным препаратам.