eng
Выпуск #3/2011
А.Толстова, А.Протопопова, И.Оферкин, М.Годзи
Компьютерное моделирование и данные атомно-силовой микроскопии
Компьютерное моделирование и данные атомно-силовой микроскопии
Просмотры: 3037
Одна из актуальных задач современной биофизики – изучение конформационных особенностей адсорбированных белковых структур in vitro. Экспериментальные методы не в состоянии в целом обеспечить требуемую точность исследований. Тем не менее, атомно-силовая микроскопия (АСМ) представляется наиболее перспективным методом для этих целей, прежде всего благодаря простоте и возможности визуализации широкого класса объектов.
АСМ имеет существенное значение для развития нанотехнологий. К достоинствам метода можно отнести, в частности, возможность сканирования объекта в режиме реального времени в естественных условиях, небольшое влияние этого процесса на образец (деформации носят обратимый характер), а также возможность получения информации о ее механических и электрических свойствах [1]. Однако наиболее важные задачи биофизики – вопросы конформационных преобразований биополимеров в процессе адсорбции – не могут быть решены только методом АСМ [2, 3]. Требуется привлечение теоретических методов для совместной трактовки данных. Наиболее подходящим для этого является компьютерное моделирование, а именно молекулярная динамика. Применение компьютерного моделирования сканируемых объектов может дать исследователю новую информацию о характере связи биополимера с подложкой и о его трехмерной структуре в целом. В качестве недостатков следует отметить ограниченность баз данных структур, а также высокую ресурсоемкость метода.
Совместная трактовка данных АСМ и компьютерного моделирования о структуре биополимера открывает новые горизонты в изучении нанообъектов.
Для верификации предложенного подхода проведен ряд экспериментов с использованием АСМ: изучалась адсорбция специальных выбранных белков на различные поверхности, а затем в рамках метода молекулярной динамики строились модели этого процесса.
Метод тестировался на белке лизоциме массой 14.3 кДа [4]. В результате была получена серия изображений его адсорбции на слюде (рис.1).
Затем проводилась симуляция адсорбции лизоцима из водного раствора на поверхности моделировавшего слюду оксида кремния (рис.2).
Для сравнения полученных в модели конформаций с экспериментальными данными осуществлено моделирование зондового сканирования при воспроизведении движения зонда с параметрами конкретного эксперимента АСМ, данные которого использовались для сравнения.
В результате был получен массив точек, записанных в виде сеточной двумерной функции высоты от горизонтальных координат, в которых проводилось измерение высоты, представляющей собой рельеф поверхности.
Данные АСМ также представляли собой двумерную сеточную функцию высоты от координат х и у. Посредством корреляционного анализа они сравнивались с данными модели (рис.3).
Была проведена апробация предложенного метода: построен опытный образец функционирующего программного модуля, осуществляющего моделирование адсорбции биополимера, зондового сканирования и сравнение результатов такого сканирования с данными реальной атомно-силовой микроскопии тех же биополимеров. Использовавшаяся модель зондового сканирования требовала модификации, поскольку заложенные в нее данные не давали итогового совпадения реального и модельного рельефов. Тем не менее, полученные результаты позволили сделать вывод об обоснованности предложенного метода.
С целью получения репрезентативных экспериментальных данных было предложено использовать для исследования более крупный, чем лизоцим, объект, поскольку степень искажения при АСМ зависит именно от его размеров. В качестве последнего был выбран белок фибриноген, участвующий в процессе свертывания крови и образовании фибриновых сгустков. Сведения о его взаимодействии с различными поверхностями имеют важное прикладное значение для имплантологии и изучения биосовместимости веществ. Он интересен также тем, что существенно меняет конформацию в зависимости от характера подложки. Исследовалась адсорбция фибриногена на гидрофильную слюду и гидрофобную подложку, образованную из покрытой гексаметилдисилазаном (HMDS) слюды (Рис.4).
Из рис.4 видно, что на гидрофильной поверхности белок сохраняет гантелеобразную форму, тогда как на гидрофобной происходит его частичная деградация и уплощение. При этом высоты единичных молекул различались в среднем в два раза (на гидрофобной подложке фибриноген на 45% ниже).
Для подтверждения экспериментальных данных, как и в случае с лизоцимом, проведено моделирование адсорбции белка из водного раствора.
Несмотря на то, что адсорбция происходит в обоих случаях, характер взаимодействия белка с поверхностью (рис.5) существенно меняется в зависимости от ее вида. Можно выделить гидрофобные и гидрофильные домены, а также оценить высоту объектов. Для этого, как и в работе с лизоцимом, построено модельное АСМ-изображение фибриногена. Разница в высотах составила 27%, что меньше, чем в эксперименте. Однако в модели не учитывалось проминание образца в процессе его сканирования зондом, что и вносит искажения в высоты.
Полученные в модели количественные данные подтверждаются многочисленными публикациями по АСМ [5–7], одновременно дополняя их. Модельные данные не только подтвердили эксперимент, но и предоставили новую информацию о характере взаимодействия фибриногена с гидрофобными и гидрофильными поверхностями и о расположении гидрофобных и гидрофильных частей самой молекулы.
В перспективе предложенный метод может открыть следующие возможности:
получение дополнительных данных о структуре исследуемого биополимера:
соотношение и природа действующих на зонд сил;
аминокислоты, связанные с подложкой;
сила связи биополимера с подложкой;
свойства биополимера в растворе (размеры, заряд, функциональная активность);
возможность исследований конформационных преобразований биополимеров in vitro;
существенное улучшение точности зондовой микроскопии.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (П255, П717, П973, №16.513.11.3021), НАТО – программа «Наука для мира» (CBN.NR.NRSFP 983204), Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (7713р/11277), грантом FP7 No 257511.
Литература
Matsko N.B. Atomic force microscopy applied to study macromolecular content of embedded biological material. –Ultramicroscopy. – 2007, № 107 (23–), с.951–05.
Schneider S.W., LaМermer J., Henderson R.M., Oberleithner H. Molecular weights of individual proteins correlate with molecular volumes measured by atomic force microscopy.– Pflugers Archiv European Journal of Physiology. – 1998, № 435 (3), с.3623–67.
Kiselyova O.I., Galyamov M.O., Nasikan N.S., Yaminsky I.V., Karpova O.V., Novikov V.K. Scanning probe microscopy of biomacromolecules: nucleic acids, proteins and their complexes. – Frontiers of Multifunctional Nanosystems (Eds. Buzanaeva E.V., Scharff P. – Kluwer Academic Publishers, Dordrecht), 2002, с. 3213–30.
M.G.Godsie, A.P.Tolstova, and I.V.Oferkin. Use of Molecular Dynamics Simulation in Interpreting the Atomic Force Microscopy Data. Biophysics 55(3) 2010, p.3703–76.
D.J.Taatjes, A.S.Quinn, R.J.Jenny, P.Hale, E.G.Bovill, J.McDonagh, Tertiary structure of the hepatic cell protein fibrinogenin fluid revealed atomic force microscopy, Cell Biol. Int. 21, 1997, р.7157–26.
R.E.Marchant, M.D.Barb, J.R.Shainoff, S.J.Eppell, D.L.Wilson, C.A.Siedlecki, Three dimensional structure of human fibrinogen under aqueous conditions visualized by atomic force microscopy, Thromb. Haemost. 77, 1997, р.10481–051.
A.Agnihotri, C.A.Siedlecki, Time-dependent conformational changes in fibrinogen measured by atomic force microscopy, Langmuir 20, 2004, р.88468–852.
Совместная трактовка данных АСМ и компьютерного моделирования о структуре биополимера открывает новые горизонты в изучении нанообъектов.
Для верификации предложенного подхода проведен ряд экспериментов с использованием АСМ: изучалась адсорбция специальных выбранных белков на различные поверхности, а затем в рамках метода молекулярной динамики строились модели этого процесса.
Метод тестировался на белке лизоциме массой 14.3 кДа [4]. В результате была получена серия изображений его адсорбции на слюде (рис.1).
Затем проводилась симуляция адсорбции лизоцима из водного раствора на поверхности моделировавшего слюду оксида кремния (рис.2).
Для сравнения полученных в модели конформаций с экспериментальными данными осуществлено моделирование зондового сканирования при воспроизведении движения зонда с параметрами конкретного эксперимента АСМ, данные которого использовались для сравнения.
В результате был получен массив точек, записанных в виде сеточной двумерной функции высоты от горизонтальных координат, в которых проводилось измерение высоты, представляющей собой рельеф поверхности.
Данные АСМ также представляли собой двумерную сеточную функцию высоты от координат х и у. Посредством корреляционного анализа они сравнивались с данными модели (рис.3).
Была проведена апробация предложенного метода: построен опытный образец функционирующего программного модуля, осуществляющего моделирование адсорбции биополимера, зондового сканирования и сравнение результатов такого сканирования с данными реальной атомно-силовой микроскопии тех же биополимеров. Использовавшаяся модель зондового сканирования требовала модификации, поскольку заложенные в нее данные не давали итогового совпадения реального и модельного рельефов. Тем не менее, полученные результаты позволили сделать вывод об обоснованности предложенного метода.
С целью получения репрезентативных экспериментальных данных было предложено использовать для исследования более крупный, чем лизоцим, объект, поскольку степень искажения при АСМ зависит именно от его размеров. В качестве последнего был выбран белок фибриноген, участвующий в процессе свертывания крови и образовании фибриновых сгустков. Сведения о его взаимодействии с различными поверхностями имеют важное прикладное значение для имплантологии и изучения биосовместимости веществ. Он интересен также тем, что существенно меняет конформацию в зависимости от характера подложки. Исследовалась адсорбция фибриногена на гидрофильную слюду и гидрофобную подложку, образованную из покрытой гексаметилдисилазаном (HMDS) слюды (Рис.4).
Из рис.4 видно, что на гидрофильной поверхности белок сохраняет гантелеобразную форму, тогда как на гидрофобной происходит его частичная деградация и уплощение. При этом высоты единичных молекул различались в среднем в два раза (на гидрофобной подложке фибриноген на 45% ниже).
Для подтверждения экспериментальных данных, как и в случае с лизоцимом, проведено моделирование адсорбции белка из водного раствора.
Несмотря на то, что адсорбция происходит в обоих случаях, характер взаимодействия белка с поверхностью (рис.5) существенно меняется в зависимости от ее вида. Можно выделить гидрофобные и гидрофильные домены, а также оценить высоту объектов. Для этого, как и в работе с лизоцимом, построено модельное АСМ-изображение фибриногена. Разница в высотах составила 27%, что меньше, чем в эксперименте. Однако в модели не учитывалось проминание образца в процессе его сканирования зондом, что и вносит искажения в высоты.
Полученные в модели количественные данные подтверждаются многочисленными публикациями по АСМ [5–7], одновременно дополняя их. Модельные данные не только подтвердили эксперимент, но и предоставили новую информацию о характере взаимодействия фибриногена с гидрофобными и гидрофильными поверхностями и о расположении гидрофобных и гидрофильных частей самой молекулы.
В перспективе предложенный метод может открыть следующие возможности:
получение дополнительных данных о структуре исследуемого биополимера:
соотношение и природа действующих на зонд сил;
аминокислоты, связанные с подложкой;
сила связи биополимера с подложкой;
свойства биополимера в растворе (размеры, заряд, функциональная активность);
возможность исследований конформационных преобразований биополимеров in vitro;
существенное улучшение точности зондовой микроскопии.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (П255, П717, П973, №16.513.11.3021), НАТО – программа «Наука для мира» (CBN.NR.NRSFP 983204), Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (7713р/11277), грантом FP7 No 257511.
Литература
Matsko N.B. Atomic force microscopy applied to study macromolecular content of embedded biological material. –Ultramicroscopy. – 2007, № 107 (23–), с.951–05.
Schneider S.W., LaМermer J., Henderson R.M., Oberleithner H. Molecular weights of individual proteins correlate with molecular volumes measured by atomic force microscopy.– Pflugers Archiv European Journal of Physiology. – 1998, № 435 (3), с.3623–67.
Kiselyova O.I., Galyamov M.O., Nasikan N.S., Yaminsky I.V., Karpova O.V., Novikov V.K. Scanning probe microscopy of biomacromolecules: nucleic acids, proteins and their complexes. – Frontiers of Multifunctional Nanosystems (Eds. Buzanaeva E.V., Scharff P. – Kluwer Academic Publishers, Dordrecht), 2002, с. 3213–30.
M.G.Godsie, A.P.Tolstova, and I.V.Oferkin. Use of Molecular Dynamics Simulation in Interpreting the Atomic Force Microscopy Data. Biophysics 55(3) 2010, p.3703–76.
D.J.Taatjes, A.S.Quinn, R.J.Jenny, P.Hale, E.G.Bovill, J.McDonagh, Tertiary structure of the hepatic cell protein fibrinogenin fluid revealed atomic force microscopy, Cell Biol. Int. 21, 1997, р.7157–26.
R.E.Marchant, M.D.Barb, J.R.Shainoff, S.J.Eppell, D.L.Wilson, C.A.Siedlecki, Three dimensional structure of human fibrinogen under aqueous conditions visualized by atomic force microscopy, Thromb. Haemost. 77, 1997, р.10481–051.
A.Agnihotri, C.A.Siedlecki, Time-dependent conformational changes in fibrinogen measured by atomic force microscopy, Langmuir 20, 2004, р.88468–852.
Отзывы читателей
