Японські та американські вчені побудували комп'ютерну симуляцію внутрішньоклітинного середовища на атомарному рівні з наносекундною роздільною здатністю. Результати роботи опубліковані в журналі.
Структура і динаміка біологічних макромолекул, таких як білки і нуклеїнові кислоти, вивчені досить добре. Однак подібні досліди дають недостатнє уявлення про те, як різні молекули ведуть себе і взаємодіють один з одним в нудних умовах внутрішньоклітинного середовища (воно складається на 25-45 відсотків з макромолекул, менш ніж на один відсоток з метаболітів, решта обсяг займає вода). Найбільш широко поширена гіпотеза про те, що основний вплив на макромолекули в клітці справляє ефект витісненого обсягу. Він полягає в тому, що будь-яка макромолекула знижує обсяг розчинника, доступного іншим макромолекулам, що підвищує їх ефективну концентрацію, тобто хімічну активність (див. рис.). Однак точна «розстановка сил» всередині клітин в цілому залишається неясною.
Співробітники Інституту RIKEN і Університету штату Мічиган провели комп'ютерне моделювання цитоплазми однієї з найменших (близько 0,4 мікрометра в діаметрі) відомих бактерій - генітальної мікоплазми (). Ця динамічна модель містить білки, нуклеїнові кислоти (у тому числі рибосоми), метаболіти, іони і воду, що складаються з окремих атомів (як йдеться в прес-релізі, загальна кількість атомів моделі становить близько трильйона). Для її створення вчені скористалися алгоритмом паралельної молекулярної динаміки GENESIS власної розробки, який вони запустили на 65536-ядерному суперкомп'ютері К.
Поведінку молекул у моделі зіставили з симуляцією таких самих молекул у розбавленому розчині. Аналіз даних показав, що ефект витісненого обсягу відіграє не таку значну роль, як вважалося раніше. Велике значення мали білково-білкові взаємодії, обумовлені електростатичними і ван-дер-ваальсовими силами, а також протилежною їм по дії гідратацією макромолекул. Також істотну роль грали електростатичні взаємодії білків із зарядженими метаболітами (такими, наприклад, як АТФ) та іонами.
Аналіз взаємодії між різними класами макромолекул виявив значуще електростатичне відштовхування між різними молекулами РНК, а також РНК і великими молекулярними комплексами, в першу чергу рибосомами. Відштовхування між білками і РНК або рибосомами виявилося істотно слабшим. Гліколітичні ферменти, які розщеплюкують глюкозу, навпаки, виявляли слабке притягування. Воно відповідає експериментальним даним про формування динамічних комплексів для підвищення ефективності багатостадійних реакцій (таких як гліколіз) раціональним розподілом потоків субстрату.
"Наша робота виявила великі відмінності між умовами в пробірці і в живій клітці. Ми отримали свідчення взаємодій, що виходять за межі ефекту витісненого обсягу, в тому числі білково-білкові та електростатичні взаємодії з іонами і метаболітами. Це необхідно враховувати при інтерпретації результатів досліджень ", - пояснив автор дослідження Іссеки Ю (Isseki Yu).
Вчені розраховують в майбутньому підтвердити і уточнити отримані результати з використанням більш потужних суперкомп'ютерів, які дозволять збільшити час і обсяги динамічної моделі, а також включити в неї хромосомну ДНК і елементи цитоскелета.
Сучасні технології дозволяють створювати моделі живих систем з найвищою роздільною здатністю. Так, нещодавно співвітчизникам Ю вдалося змоделювати всі нейрональні зв'язки однієї півкулі мозку плодової мухи дрозофіли. А співробітники Алленівського інституту досліджень мозку виклали у відкритий доступ повний інтерактивний атлас мозку з мікронною роздільною здатністю.