Конкурс научных работ 2017 года

Изучение гидратной оболочки белка методом МД.
Сжимаемость, термическое расширение,
влияние молекул осмолитов.

Медведев Н.Н., Волошин В.П., Аникеенко А.В.
при участии
А. Гайгер¹ , Р. Винтер¹, Н. Смолин²

¹Physikalische Chemie, Technische Universität Dortmund, 44221 Dortmund, Germany.
² Stritch School of Medicine Loyola University, Chicago, Maywood, Illinois 60153, USA

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Белки функционируют в водных растворах, поэтому не удивительно, что изучению взаимодействия белка с молекулами воды (гидратной оболочкой) уделяется огромное внимание. В последнее десятилетие наблюдается большой интерес к исследованию влияние давления на белок. Это вызвано как возможными практическими применениями, так и научными вопросами о механизмах фолдинга белков. Компьютерное моделирование помогает получить картину явления на молекулярном уровне, понять структурные изменения, происходящие как в самом белке, так и в окружающей воде, разделить их вклады в экспериментально наблюдаемые величины.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Изучение изменений, происходящих в водном растворе белка от давления и температуры. Нахождение вкладов в парциальный мольный объем белка от самой молекулы белка (учитывая внутримолекулярные полости) и от гидратной оболочки. Установление молекулярного механизма сжимаемости и термического расширения для разных белков: глобулярного (SNase) и для белка, развернутого в нативном состоянии (hIAPP). Сравнение гидратной оболочки белка в растворе чистой воды и в присутствии косольвентов (мочевины, триметиламиноксида (ТМАО) и их смеси). Изучение взаимодействия косольвентов с белком и друг с другом.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

Используется метод молекулярной динамики, реализованный в современном пакете МД моделирования. Получены большие (содержащие порядка 20000 молекул воды в окружении белка) и вполне надежные (равновесные траектории длительностью до 100 нс) модели белка в чистой воде и в воде с косольвентами для разных температур и давлений. При анализе моделей в существенной мере используется недавно развитый авторами метод расчета межмолекулярных пустот, основанный на теоремах Вороного-Делоне (компьютерная волюмометрия).

4. Полученные результаты и их значимость.

Показано, что в сжимаемость раствора белка существенный вклад дает сама молекула белка за счет уменьшения объемов внутренних пустот. При этом вклад от приграничных пустот компенсируется меньшей сжимаемостью воды в гидратной оболочке по сравнению с сжимаемостью объемной воды.

Термическое расширение раствора белка определяется, главным образом, увеличением объема пустот в приграничной области. Дополнительный вклад дает также увеличение объема внутренних пустот белка (в случае с глобулярным SNase). Для развернутого белка hIAPP такого вклада нет. Отмечено, что увеличение объема пустот в приграничной с водой области имеет универсальный характер.

Добавление в воду косольвентов (мочевины и ТМАО) в биологически релевантных концентрациях не оказывает принципиального влияния на изменение исследуемых волюмометрических характеристик с температурой и давлением. Однако можно отметить, что мочевина и ТМАО оказывают противоположное действие на парциальный мольный объем белка.

Для изучения поведения косольвентов в гидратной оболочке рассчитаны распределения доли объема, занимаемого данным косольвентом, в зависимости от расстояния до поверхности белка. Показано, что доля мочевины вблизи белка существенно больше, чем в объеме раствора. Наоборот, доля ТМАО вблизи белка слабо отличается от его доли вдали. Показано, что распределение мочевины нечувствительно к добавлению ТМАО, тогда как добавление мочевины к ТМАО еще больше понижает долю ТМАО вблизи белка.

Полученные результаты позволяют интерпретировать на молекулярном уровне многие известные экспериментальные данные. Благодаря нашим методам анализа МД моделей, сделан существенный шаг в решение проблемы фолдинга белков.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Работа подержана: грантом РФФИ: № 12-03-00654, № 15-03- 03329. Исследование в рамках темы research unit FOR 1979, and the Cluster of Excellence RESOLV (EXC 1069), Германия, при поддержке DFG.

Участие (доклады и постеры) в 6 международных и российских конференциях.
В том числе, приглашенные доклады на конференциях:
1. N.N. Medvedev. Chemical solutions are objects for GPSRS study. // International conference 'Geometry and Physics of Spatial Random Systems'', Germany, Bad Herrenalb (Black Forest), 10-15 September, 2017; http://gpsrs2017.math.kit.edu/
2. N.N. Medvedev, V.P. Voloshin, N. Smolin, A. Geiger, R. Winter. Compressibility and expansivity of SNase in aqueous solution - molecular dynamics simulation and volumetric analysis. // Joint Annual EMLG/JMLG Meeting. Germany, Rostock, 6 -10 Sept 2015.
3. Медведев Н.Н., Волошин В.П., Смолин Н., Гайгер А., Винтер Р. Исследование сжимаемости и температурного расширения молекулы белка в водном растворе. молекулярно-динамическое моделирование. // Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах. Иваново, 29 июня по 3 июля 2015 года.

6. Вклад авторского коллектива.

Работа в значительной мере выполнена авторским коллективом ИХКГ. Участие проф. А.Гайгера и проф. Р. Винтера в обсуждении общих молекулярно-биологических задач, Н. Смолин (США) оказал помощь в расчете МД моделей.

Список публикаций.

1. Voloshin V.P., Medvedev N.N., Smolin N., Geiger A., Winter R., Exploring volume, compressibility and hydration changes of folded proteins upon compression, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, pp 8499-8508.
2. Voloshin V.P., Medvedev N.N., Smolin N., Geiger A., and Winter R., Disentangling Volumetric and Hydration Properties of Proteins, J. Phys. Chem. B, 2015, 119, 1881-1890.
3. Smolin N., Voloshin V.P., Anikeenko A.V., Geiger A., Winter R., and Medvedev N.N., TMAO and urea in the hydration shell of the protein SNase, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017 Mar 1;19(9), 6345-6357.