Лаборатория моделирования биомолекулярных систем

Отдел структурной биологии

Руководитель: Ефремов Роман Гербертович, д. ф.-м. н., профессор
efremov@nmr.ru+7(495)995-55-57#2202

model.nmr.ru

Молекулярное моделирование, метод молекулярного гидрофобного потенциала, мембранные и мембрано-активные белки и пептиды, структурная организация биологических мембран, молекулярный дизайн, докинг, молекулярная динамика, вычислительный эксперимент, структурная протеомика, технологии in silico, биоинформатика, трансмембранные альфа-спиральные димеры

Сотрудники лаборатории занимаются компьютерным моделированием основных «молекул жизни» и надмолекулярных систем: белков, нуклеиновых кислот и биомембран. Особый акцент делается именно на мембраны и на «населяющие» их белковые молекулы — рецепторы, ионные каналы и пр. Основной «прицел» исследований — установить, как организованы и как функционируют эти молекулы на уровне отдельных атомов, ведь такое знание позволяет не только объяснять, как устроена жизнь, но и осуществлять рациональное конструирование принципиально новых соединений, таких как биологически активные вещества или лекарства.

Компьютерный (или in silico – «в кремнии») эксперимент, в отличие от других методов анализа молекул, не требует создания реальных образцов белковых кристаллов или изотопно-меченых белков. Всю работу сотрудники ведут на многопроцессорных компьютерах, а также обращаются к вычислительным ресурсам Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН и других центров коллективного пользования.

На компьютерах создают и изучают модели мембранных и мембрано-активных белков и пептидов, а также их взаимодействия между собой и с лигандами. Исследования этих моделей позволили определить особенности химического строения мембран архей (эти организмы могут использоваться людьми в экологической химии и фармакологии), а также создать на основе природных биологически активных пептидов прототипы новых лекарственных препаратов (например, аналоги латарцинов — антимикробных пептидов, не обладающих гемолитическими свойствами).

Моделирование пространственной структуры рецепторов – отдельное направление работы лаборатории. Особое внимание привлекают GPCR-рецепторы и рецепторные тирозинкиназы, поскольку они являются мишенью действия многочисленных лекарственных веществ, и их потенциал как фармакологических мишеней лишь начинает разрабатываться.

В своей работе исследователи применяют разные алгоритмы молекулярного моделирования: сопоставительное моделирование (на основе структуры белка-«родственника»), молекулярный докинг (для рассмотрения механизмов взаимодействия молекул между собой), молекулярную динамику и др. Чтобы оптимизировать компьютерные модели мембранных белков, сотрудники установили статистические закономерности упаковки мембранных белков.

В лаборатории создан банк динамических моделей липидных бислоев различного состава, в том числе, двухкомпонентных мембран, включающих отрицательно заряженные липиды. Такие структуры позволяют имитировать мембраны бактерий и изучать влияние разных веществ на них, чтобы узнать, какие вещества могут обладать антимикробной активностью и быть полезными в медицине, например, при создании антибиотиков.

Лаборатория активно сотрудничает как с другими подразделениями Института (например, отделами Молекулярных основ нейросигнализации и Молекулярной нейробиологии), так и с другими лабораториями в России и за рубежом.

Лаборатория была образована в 2007 году из группы молекулярного моделирования в составе лаборатории (ныне — отдела) структурной биологии.

Сейчас лаборатория моделирования биомолекулярных систем, равно как и метод компьютерного эксперимента, делает первые шаги в совершенствовании путей изучения важнейших мезоскопических систем и процессов, протекающих внутри клетки. Метод уже гармонично дополняет лабораторные эксперименты, а в будущем, возможно, сыграет решающую роль в лечении и даже предотвращении болезней.

Научно-популярная статья о работе Лаборатории: «Компьютерные игры в молекулярную биофизику биологических мембран».

Лаборатория занимается молекулярным моделированием пространственной структуры и динамики биомолекул. Основной областью специализации является изучение структуры и функций мембранных и мембрано-активных белков и пептидов, лиганд-рецепторных взаимодействий, а также рациональный компьютерный дизайн новых биологически активных соединений, в том числе действующих на мишени в биомембранах.

Большинство работ проводится в тесном сотрудничестве с экспериментальными группами, что обеспечивает максимальную эффективность теоретических исследований. Все молекулярные расчеты проводятся с использованием современного компьютерного оборудования, имеющегося в распоряжении Лаборатории (высокопроизводительные многопроцессорные кластеры под управлением Linux, рабочие станции и пр.) Лаборатория имеет доступ к вычислительным ресурсам Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.

1992—1997 гг. Количественная оценка и картирование пространственных гидрофобных свойств биомолекул. Для детальной характеризации гидрофобных/гидрофильных параметров белков и пептидов впервые применен метод молекулярного гидрофобного потенциала (МГП). МГП-подход также был успешно использован для изучения гидрофобной организации целого ряда водорастворимых и мембранных белков и пептидов, оценки межмолекулярных взаимодействий с их участием. Данные подходы реализованы в виде веб-приложения PLATINUM на сайте Лаборатории.

1998—2000 гг. Разработана модель неявно заданной мембраны. Для описания мембранного окружения в систему вводится дополнительный сольватационый потенциал, зависящий от одной из координат атомов. Модель позволяет изучать пространственную структуру мембранных белков и белок-мембранные взаимодействия с помощью конформационного поиска методом Монте-Карло. Модель неявно заданной мембраны реализована в программе FANMEM, созданной на базе пакета FANTOM (von Freyberg B., W. Braun 1991. J. Comp.Chem. 12:1065–1076).

2005—2008 гг. Созданы модели явно заданных липидных бислоев и мицелл детергентов различного молекулярного состава. Изучено взаимодействие мембрано-активных пептидов из разных классов (пептиды слияния, антимикробные, неспецифические переносчики) с данными моделями. Исследована структурная организация модельных мембран. Показана роль липидного состава и структурно-динамических свойств пептидов в процессе дестабилизации мембраны. Определена взаимосвязь структура-функция для ряда антимикробных пептидов, выделенных из яда паука Lachesana tarabaevi. Созданы пептиды с направленно измененной активностью.

2000—2004 гг. Проведено моделирование ряда мембрано-активных белков и пептидов (кардиотоксины, пептиды слияния, др.) с неявно заданной мембраной. Выявлены ключевые факторы (аминокислотный состав, гидрофобная организация, конформационная динамика), определяющие процесс связывания и геометрию молекул в мембране.

2004—2008 гг. Учет доменных движений бека-мишени и гидрофобных контактов при исследовании взаимодействий рецептор-лиганд методом молекулярного докинга. На основе оригинального метода оценки гидрофобного соответствия разработаны аденин-специфичные оценочные функции. Они эффективно выявляют наиболее правдоподобные решения задачи докинга даже в случае доменных движений рецептора, что было показано при моделирование комплексов АТФ с различными АТФазами Р-типа. Новые подходы реализованы в виде веб-приложения PLATINUM на сайте Лаборатории.

2006—2008 гг. Разработаны подходы для моделирования димеризации трансмембранных α-спиралей. Получены структуры димеров для трансмембранных фрагментов ряда белков (гликофорин, рецепторные тирозин-киназы) с помощью конформационного поиска в неявно заданной мембране методом Монте-Карло с помощью программы FANMEM. Проведено моделирование динамического поведения димера трансмембранных фрагментов про-апоптозного белка Bnip3 в явно заданном липидном бислое с использованием данных ЯМР-спектроскопии.

2006—2008 гг. Алгоритмы оценки качества упаковки α-спиральных сегментов в трехмерных моделях мембранных белков. Разработаны оценочные функции для моделей G-белок сопряженных рецепторов, построенных по гомологии. Метод позволяет выявить модель рецептора, наиболее близкую к его нативной (например, кристаллографической) структуре, среди большого числа некоректных моделей.

По результатам научной работы Лаборатории получено несколько патентов РФ.

Лаборатория моделирования биомолекулярных систем. В первом ряду (слева направо): студ. Фахрутдинова Г. Н., Балицкая Е. Д., Тарасова Н. К., асп. Пыркова Д. В., студ. Иванова И. Д. Во втором ряду: к. ф.-м. н., н. с. Чугунов А. О., зав. лаб., д. ф.-м. н., зам. дир. ИБХ Ефремов Р. Г., к. ф.-м. н., м. н. с. Пырков Т. В., к. ф.-м. н., н. с. Полянский А. А., к. ф.-м. н., с. н. с. Волынский П. Е. В дальнем ряду: асп. Новоселецкий В. Н., студ. Кузнецов А. С., Озеров И. В., м. н. с. Коншина А. Г., студ. Попов П. А.

 

Ф.И.О.ДолжностьКонтакты
Ефремов Роман Гербертович, д. ф.-м. н., профессоррук. подр.efremov@nmr.ru+7(495)995-55-57#2202
Дубовский Пётр Викторович, к. х. н.с.н.с.peter@nmr.ru+7(495)727-44-98
Волынский Павел Евгеньевич, к. ф.-м. н.с.н.с.pashuk@nmr.ru+7(495)336-20-00
Полянский Антон Александрович, к. ф.-м. н.с.н.с.newant@gmail.com+7(495)336-20-00
Нольде Дмитрий Евгеньевич, к. х. н.с.н.с.nolde@nmr.ru+7(916)179-1264, +7(495)995-55-57#2039
Табакмахер Валентин Михайлович, к. х. н.н.с.tabval@yandex.ru+7(495)3362000
Кузнецов Андрей Сергеевич, к. ф.-м. н.н.с.andrej.kuznecov@phystech.edu
Замалетдинов Мифтах Фатиховичасп.miftakhz@gmail.com+7(495)3362000
Коробова Наталья Владимировнастуд.nvkorobova_1@edu.hse.ru+7(495)3362000
Смирнов Кирилл Валерьевичстуд.kvsmirnov@edu.hse.ru+7(495)3362000
Покровский Виктор Игоревичтех.-лаб.vincheste@gmail.com+7(495)3362000
Крылов Николай Андреевичвед. инж.krna@rambler.ru
Коншина Анастасия Геннадьевнаст. инж.nastya@nmr.ru

Ранее здесь работали:

Чугунов Антон Олегович, к. ф.-м. н.с.н.с.batch2k@yandex.ru
Пырков Тимофей Владимирович, к. ф.-м. н.м.н.с.tim.pyrkov@gmail.com
Пыркова Дарья Владимировнам.н.с.dpyrkova@gmail.com
Ширшиков Фёдор Владимировичасп.shrshkv@ya.ru
Панина Ирина Сергеевнаинженерirinaspanina@gmail.com

Избранные публикации (показать все)

Загружаются...

Ефремов Роман Гербертович

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. БОН, комн. 522
  • Тел.: +7(495)995-55-57#2002
  • Эл. почта: efremov@nmr.ru

Структурно-динамическая модель взаимодействия цитотоксина S-типа с мицеллами детергентов и липидными мембранами: спектроскопия ЯМР высокого разрешения и молекулярная динамика. (2017-11-28)

Расшифровка пространственной структуры мембранных пептидов и белков методами спектроскопии ЯМР высокого разрешения предполагает использование сред, моделирующих мембранное окружение. Чаще всего в экспериментах используют мицеллы детергентов. Однако неясно, как перенести результаты таких исследований на липидный бислой. В настоящей работе предложен ответ на этот вопрос для бета-структурного белка, цитотоксина 1 S-типа, выделенного из яда кобры N. oxiana. Пространственная структура белка получена методом спектроскопии ЯМР в водном растворе и в мицеллах додецилфосфохолина (ДФХ). Методами молекулярной динамики (МД) в полноатомном и «крупнозернистом» (coarse-grained) приближениях исследовали встраивание белка в мицеллы ДФХ (Рисунок, левая панель) и в липидный бислой пальмитоилолеоилфосфатидилхолина (Рисунок, правая панель). Показано, что встраивание токсина как в мицеллы, так и в мембраны сопровождается адаптацией молекулы белка к гидрофобно/ гидрофильной среде и конформационной перестройкой в районе окончания петли-II (Рисунок, левая панель). При этом в мицелле реализуется только одно связанное состояние молекулы токсина – окончаниями всех трёх петель молекулы. В бислое наблюдается усреднение между тремя модами связывания – окончаниями первой петли; окончаниями петель I и II; окончаниями всех трёх петель (Рисунок, правая панель, сверху-вниз).

Активация рецепторных тирозинкиназ сопровождается изменением структурно-динамических параметров липидного бислоя мембраны вблизи белка (2017-11-28)

Для детализации и визуализации предложенного авторами в 2014-2016 гг. оригинального липид-опосредованного механизма активации рецепторных тирозинкиназ (РТК) разработана вычислительная методика картирования динамических белок-липидных контактов на поверхности трансмембранных спиралей, а также способ учета изменения конфигурационной энтропии липидных молекул вследствие возмущений, вызванных в липидном бислое альфа-спиральными димерами белков в разных конформационных состояниях. Методика апробирована в ходе анализа длительных траекторий молекулярной динамики, рассчитанных для различных состояний трансмембранных димеров РТК в бислое ПОФХ – рецепторов PDGFRa и EGFR. Показано, что конформации, соответствующие активному состоянию димеризованного рецептора, оказывают более выраженное возмущение липидного бислоя по сравнению с неактивными.

Локальные конформационные изменения в молекулах цитотоксинов влияют на механизм их взаимодействия с мембранами (2017-11-28)

Локальная конформационная подвижность жестко структурированных и стабильных молекул цитотоксинов (ЦТ) оказывает влияние на их мембрано-активные свойства. На основании данных молекулярной динамики (МД) трех ЦТ (ЦТ 1, 2 из Naja oxiana и ЦТ А3 из Naja atra) в воде и анализа распределений значений двугранных углов аминокислотных остатков основной цепи выявили общие для исследуемых белков конформационные состояния, характеризующиеся высокоамплитудными изменениями двугранных углов φ и ψ в паре остатков (K5/L6). Указанные локальные конформационные изменения ЦТ являются специфическими «горячими точками», меняющими организацию функционально-активного гидрофобного паттерна (т.н. «гидрофобной подошвы») этих белков. Именно этот мотив отвечает за связывание ЦТ с клеточными мембранами. В ходе МД «подошва» может обратимо разделяться на два участка меньших размеров (Рисунок). Таким образом молекулы ЦТ осуществляют «тонкую подстройку» своей пространственной структуры при связывании с поверхностью клеточной мембраны в зависимости от размеров гидрофобных/гидрофильных кластеров на поверхности липидного бислоя.

Публикации

  1. Konshina AG, Krylov NA, Efremov RG (2017). Cardiotoxins: Functional Role of Local Conformational Changes. J Chem Inf Model 57 (11), 2799–2810

Формирование пор в липидных мембранах: построение теории на основе молекулярного моделирования и экспериментальных данных (2017-11-28)

Перенос веществ через липидную мембрану может происходить с образованием пор. Атомистические детали структурных перестроек, возникающих в липидном бислое мембран при формировании пор, до сих пор не понятны. В работе исследовали зависимость времени жизни мембранных пленок из различных липидов от приложенного электрического напряжения. Кроме того, с помощью расчетов молекулярной динамики (МД) изучен процесс затягивания предварительно сформированной поры в бислое. Анализ полученных данных позволил усовершенствовать современную теорию, описывающую энергетические аспекты возникновения пор в липидной мембране. На основании результатов МД сделано предположение о том, что возникновение поры сопряжено с формированием гидрофобного дефекта в мембране при малых радиусах поры. При переходе от состояния системы с гидрофобной поверхностью поры к состоянию с гидрофильной поверхностью необходимо преодолеть энергетический барьер. Сделан вывод о том, что при изменении радиуса поры линейное натяжение в бислое на границе поры зависит от ее радиуса. Предложенная теория хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Публикации

  1. Akimov SA, Volynsky PE, Galimzyanov TR, Kuzmin PI, Pavlov KV, Batishchev OV (2017). Pore formation in lipid membrane II: Energy landscape under external stress. Sci Rep 7 (1), 12509
  2. Akimov SA, Volynsky PE, Galimzyanov TR, Kuzmin PI, Pavlov KV, Batishchev OV (2017). Pore formation in lipid membrane I: Continuous reversible trajectory from intact bilayer through hydrophobic defect to transversal pore. Sci Rep 7 (1), 12152

Температурная активация рецептора TRPV1: моделирование на компьютере (2016-11-19)

Ванилоидный рецептор типа 1 (TRPV1) — важнейший молекулярный сенсор нашего организма, реагирующий на повышение температуры, понижение pH (закисление), а также на капсаицин — вещество жгучего перца. Именно активации этого катионного канала мы обязаны ощущением «пожара» во рту от острой пищи, а также болевому ощущению при контакте с предметами горячее 43 °C. В этой работе 2016 года мы промоделировали температурную активацию рецептора TRPV1 с помощью молекулярной динамики (in silico эксперимент). Основываясь на определенных ранее структурах открытого и закрытого состояний TRPV1, мы создали компьютерную модель этого рецептора в липидной бислойной мембране, напоминающей нейрональную. В компьютерных экспериментах с повышением и понижением температуры мы идентифицировали серию событий «открывания» поры рецептора и чуть реже — «закрывания». Также мы предложили термодинамический механизм температурной активации белка, в котором важную роль играет экспонирование гидрофобных фрагментов в пору канала, в область контакта с растворителем. Еще одним интересным моментом стал механизм «асимметричного» открывания, который также следует из этих расчетов. Конечной целью работы можно считать создание в ближайшем будущем виртуального рецептора TRPV1, пригодного для предсказания структуры селективных лигандов. Ожидается, и не без основания, что такие лиганды найдут применение в медицине как анальгетические лекарства и будут лишены большинства побочных эффектов, свойственных современным препаратам группы нестероидных противовоспалительных средств. Подробнее о работе можно прочитать в пресс-релизе, опубликованном на сайте ИБХ.

Дизайн высокоаффинного аналога конотоксина PnIA на основе метода белковой топографии (2016-11-19)

Некоторое время назад мы предложили компьютерный алгоритм белковой топографии, применение которого позволило объяснить селективное действие α-нейротоксинов из яда скорпионов на потенциал-чувствительные натриевые каналы насекомых и млекопитающих. В этой работе (2016 года) мы применили описанный принцип — белковую топографию — для дизайна мутантной формы конотоксина PnIA, которая обладает самым высоким на сегодняшний день сродством к ацетилхолиновому рецептору никотинового типа (α7-нАХР). Основой для этого дизайна стал массив экспериментально полученных данных по активности различных конотоксинов по отношению к α7-нАХР, наработанный в Отделе молекулярных основ нейросигнализации (вместе с которым мы представляем это достижение). В этом же отделе проведено исчерпывающее функциональное тестирование предложенных аналогов PnIA, что вместе с применением компьютерного моделирования стало предпосылкой для успешного дизайна новых пептидов. В перспективе, подобный подход позволит создавать нейропептиды с требуемыми свойствами, которые найдут применение в исследованиях рецепторов и в медицине.

Определяющая роль мембраны в димеризации трансмембранных доменов белков: результаты молекулярного моделирования (2016-03-18)

Димеризация трансмембранных (ТМ) альфа-спиралей — важнейший процесс, определяющий функционирование широкого класса мембранных белков, в частности, рецепторных тирозинкиназ. Молекулярные аспекты механизма ассоциации спиральных доменов в липидном окружении до сих пор остаются неясными. Так, до последнего времени роль мембраны в процессе димеризации рассматривалась лишь поверхностно. В Лаборатории моделирования биомолекулярных систем провели компьютерное исследование структурно-динамических параметров липидного бислоя вблизи мономеров и димеров гликофорина А человека, который является характерной моделью для изучения димеризации ТМ доменов, двух его мутантных форм и двух модельных пептидов. С помощью метода молекулярной динамики были оценены неоднородности в распределении средней плотности липидов. Показано, что даже одиночные спирали вызывают формирование стабильных во времени неоднородностей распределения липидов в гидрофобной области бислоя. При димеризации белка картина усложняется, т. к. ацильные цепи липидов заполняют все неровности поверхности формирующегося димера. Расчёты вкладов различных типов взаимодействий в свободную энергию ассоциации показали, что именно взаимодействие ТМ доменов с липидным окружением вносит наибольший вклад. Таким образом, димеризация ТМ спиралей имеет энтропийную природу и во многом определяется способностью белка связывать липиды на своей поверхности. Впервые получены аргументы в пользу гипотезы об определяющей роли мембраны в процессах олигомеризации ТМ спиралей белков.

Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей (2015-01-03)

Археи в основном являются экстремофилами: их среда обитания — это высокие температура, давление, соленость и кислотность. Возможно, «особый путь» архей был определен необычными свойствами их мембран, существенно отличающихся по составу от «обычных» фосфолипидов у бактерий и эукариот. В Лаборатории моделирования биомолекулярных систем провели компьютерное исследование архейных мембран, объяснив взаимосвязь между химической структурой липидов и физическими свойствами мембран. В расчетах показано, что ключевой особенностью химического строения архейных липидов, определяющей исключительные физические свойства мембран на их основе, является изопреноидная природа гидрофобных фрагментов этих липидов (боковые метильные группы каждый четвертый углеродный атом «хвоста»). Подробнее об этом можно прочитать в пресс-релизе на сайте ИБХ.