Przedstawiony zostaª model oparty na dynamice molekularnej pseudoatomów, których poªo»enia od-powiadaj¡ atomom Cα biaªek nieuporz¡dkowanych. Ka»dy wariant tego modelu umo»liwia dost¦p do du»o dªu»szych skal czasowych ni» symulacje peªnoatomowe. Mimo u»ycia tylko jednego pseudoatomu na aminokwas, nawet pierwotny wariant (A+ L ME1 T) jest zgodny z wieloma danymi pochodz¡cymi z eksperymentu i z symulacji peªnoatomowych. Potwierdza to sªuszno±¢ zaªo»enia, »e mo»na odtworzy¢
wªa±ciwo±ci geometryczne ªa«cucha, korzystaj¡c jedynie z poªo»e« atomów Cα, a nast¦pnie wykorzysta¢
je do dynamiki molekularnej.
W przypadku modelu quasi-adiabatycznego na podstawie tych poªo»e« tworzona jest dynamiczna mapa kontaktów, które mog¡ znika¢ i pojawia¢ si¦ ponownie. Kontakty mog¡ wynika¢ z oddziaªywa«
ªa«cucha bocznego z bocznym, bocznego z gªównym b¡d¹ gªównego z gªównym, a oprócz nich uwzgl¦d-nione s¡ tak»e oddziaªywania elektrostatyczne [112]. Model ten zgadza si¦ nie tylko ze ±rednimi
wielko-±ciami dotycz¡cymi caªego ªa«cucha, ale tak»e z ich rozkªadami otrzymanymi na podstawie symulacji peªnoatomowych. Nie jest to zatem tylko przypadkowa zbie»no±¢, lecz faktyczne odwzorowanie ksztaªtu i dynamiki biaªka. Zalet¡ modelu quasi-adiabatycznego jest tak»e du»a szybko±¢, poniewa» dynamika obejmuje tylko oddziaªywania dwuciaªowe (efekty wielociaªowe pojawiaj¡ si¦ tylko przy aktualizowaniu chwilowej mapy kontaktów).
Podczas parametryzacji 246 wariantów modelu, niektóre warianty korzystaªy z potencjaªu quasi-adiabatycznego. Miaªy one mniejszy wspóªczynnik Pearsona ni» najlepsze warianty modelu PID, nale»y jednak pami¦ta¢ »e wszystkie parametryzowane warianty korzystaªy z czynnika f = 1.5 (patrz podpunkt 2.5.3). Zmiana f na 1.3 mo»e znacznie poprawi¢ efektywno±¢ tego modelu (patrz paragraf 2.6.8.5 i podpunkt 4.2.1), niestety czynnik ten zostaª wzi¦ty pod uwag¦ ju» po wykonaniu wszystkich symulacji, wymagaj¡cych milionów godzin oblicze«. Kolejna reparametryzacja uwzgl¦dniaj¡ca ró»ne f mo»e przynie±¢ interesuj¡ce rezultaty.
By¢ mo»e po kolejnej reparametryzacji lepiej modelowane b¦d¡ biaªka cz¦±ciowo nieuporz¡dkowane.
Pewna ich kategoria staje si¦ ustrukturyzowana po zwi¡zaniu z substratem [193]. Omawiany tu model nie jest na tyle dokªadny, aby przewidzie¢ struktur¦ przyj¦t¡ przez biaªko w takiej sytuacji (nie potra
np. przewidzie¢ struktury biaªka PUMA po zwi¡zaniu z kompleksem Mcl-1 [194]). Ani potencjaª PID, ani potencjaª quasi-adiabatyczny nie nadaj¡ si¦ te» do zwijania biaªek uporz¡dkowanych, a tak»e do utrzymywania ich w konformacji natywnej (patrz podrozdziaª 3.5). Dla biaªek, które w caªo±ci lub w cz¦±ci s¡ ustrukturyzowane, mo»na jednak ustali¢ map¦ kontaktów opart¡ na strukturze natywnej i
Mimo »e szybko±¢ symulacji skaluje si¦ prawie liniowo wraz z rozmiarem ukªadu, model PID jest co najmniej 5 razy wolniejszy (Rys. Fig. 2.42), przy zaªo»eniu »e we wszystkich modelach jednostka τ odpowiada 1 nanosekundzie. Du»o mniejszy czas potrzebny na doj±cie do stanu równowagowego w modelu PID (patrz koniec paragrafu 2.6.8.2) wskazuje na konieczno±¢ powtórzenia dla tego modelu procedury u»ytej do wyznaczenia skali czasowej symulacji [132]. Model PID trudniej tak»e wykorzysta¢
do symulacji zrównoleglonych na wielu rdzeniach (ze wzgl¦du na czªony wielociaªowe).
Rysunek 2.42: Rzeczywisty czas jednej nanosekundy symulacji na 1 rdzeniu dla modelu PID (P− F MD0.1 C, kwadraty) i quasi-adiabatycznego (A+ L ME1 T, gwiazdki), w funkcji liczby symulowanych aminokwasów. Liczba ªa«cuchów w symulacji jest zaznaczona kolorem. G¦sto±¢ ukªadu dla symulacji z wieloma ªa«cuchami wynosiªa 1 aminokwas/nm3 (aa/nm3). Dopasowane linie maj¡ wspóªczynniki od-powiednio 0.003 s/aminokwas i 0.0005 s/aminokwas, z bª¦dem dopasowania rz¦du 0.0001 s/aminokwas.
Mody kacja rys. 6 z artykuªu [II].
W najlepszych 7 wariantach modelu z tabeli 2.9 macierz oddziaªywa« jest przeskalowana przez czynnik mniejszy od 1/2 (Rys. 2.43). Warto zauwa»y¢ »e dwa spo±ród siedmiu najlepszych wariantów mno»¡ macierz przez 0, co oznacza, »e aminokwasy nie oddziaªuj¡ ze sob¡, z wyj¡tkiem sztywno±ci ªa«cucha, oddziaªywa« elektrostatycznych i odpychania na maªych odlegªo±ciach (zapewniaj¡cego nie-przecinanie si¦ ªa«cucha). Bardzo prosty model ªa«cucha Gaussowskiego tak»e sprawdza si¦ caªkiem dobrze (panel f na Rys. 2.39).
Jest to dobrym potwierdzeniem tego, »e woda faktycznie jest dobrym rozpuszczalnikiem dla biaªek nieuporz¡dkowanych, a oddziaªywania aminokwasów odlegªych od siebie w sekwencji wpªywaj¡ na wymiary ªa«cucha tylko w niewielkim stopniu [1]. Fakt ten zostaª niedawno u»yty w hierarchicznym podej±ciu do symulowania biaªek nieuporz¡dkowanych, gdzie tylko niewielkie fragmenty ªa«cucha s¡
szczegóªowo modelowane, a caªy ªa«cuch jest konstruowany na podstawie wyników modelowania tych fragmentów [197].
Rysunek 2.43: Najlepsze 7 wariantów modelu PID (wg ich wspóªczynników Pearsona). Oparte na rys.
7 z artykuªu [II].
Ze wzgl¦du na wi¦ksz¡ szybko±¢ dziaªania (i w¡tpliwo±ci co do skali czasowej modelu PID), w pozostaªych rozdziaªach pracy to model quasi-adiabatyczny (A+L ME1 T) b¦dzie u»ywany do badania dynamiki konformacyjnej biaªek nieuporz¡dkowanych i ich agregacji (z wyj¡tkiem podrozdziaªu 3.5).
Model quasi-adiabatyczny mo»e by¢ ªatwo poª¡czony z modelem dla biaªek ustrukturyzowanych, ponie-wa» oba opieraj¡ si¦ na mapie kontaktów. Takie poª¡czenie mo»e by¢ u»yte cho¢by do badania gi¦tkich ª¡czników w biaªkach wielodomenowych [97, 198]. Ka»da z domen mogªaby by¢ utrzymywana przez map¦ kontaktów [53], a ka»dy z ª¡czników byªby opisany przez potencjaª quasi-adiabatyczny2. Takie ª¡czone podej±cie zostaªo zastosowane w rozdziale 5 dotycz¡cym symulacji biaªek z ziaren pszenicy, kukurydzy i ry»u.
Rozdziaª 3
Wyniki symulacji pojedynczych ªa«cuchów
3.1 Wprowadzenie
Biaªka nieuporz¡dkowane odwiedzaj¡ du»o wi¦kszy obszar przestrzeni konformacji ni» uporz¡dkowane [III]. Jednym ze sposobów przedstawiania tej przestrzeni jest podawanie dwuwymiarowych rozkªadów promienia bezwªadno±ci Rgoraz odlegªo±ci mi¦dzy ko«cami l (oznaczanej tak»e jako L). Takie rozkªady wykonane na podstawie symulacji modelem gruboziarnistym dla nieuporz¡dkowanej α-synukleiny (pre-zentowanym tu modelem dla biaªek nieuporz¡dkowanych) oraz uporz¡dkowanego lizozymu (modelem na podstawie struktury natywnej [53]) zostaªy przedstawione na Rys. 3.1. Wida¢ na nim, »e dla biaªka uporz¡dkowanego rozkªad jest scentrowany wokóª jednego punktu (struktury natywnej), a dla α-synukleiny odwiedzane s¡ ró»ne konformacje. Warto zwróci¢ uwag¦, »e skala wykresów jest caªkiem inna (mimo »e oba biaªka maj¡ okoªo 140 aminokwasów). Rozkªady Rg, l oraz prawdopodobie«stwa przej±cia mi¦dzy stanami w zdyskretyzowanym rozkªadzie Rg, lwygl¡daj¡ podobnie dla du»ego zakresu skal czasowych symulacji (o ile symulacja jest prowadzona w równowadze) [III]. Oznacza to, »e równowagowe konformacje charakteryzuj¡ si¦ podobnym rozkªadem Rg, l niezale»nie od czasu »ycia.
Rysunek 3.1: Dwuwymiarowy rozkªad Rg oraz l = L dla α-synukleiny oraz lizozymu. Zmody kowany fragment rys. 6 z artykuªu [III].