На данный момент наночастицы находят широкое применение в области биотехнологий [1]. Их популярность в качестве инструмента для исследования процессов клеточной биологии объясняется наличием управляемой настройки параметров для большого спектра задач [2, 3]. Одним из развивающихся направлений использования наноалмазов является разделение и очистка рекомбинантного белка с применением стабильных кластеров из наночастиц алмаза. Например, в Институте биофизики СО РАН разработан метод выделения и очистки рекомбинантных люциферазы и апообелина [4, 5]. Методики очистки разных ферментов отличаются видом и количеством присутствовавших в растворе ионов (люцифераза десорбировалась с поверхности наноалмаза фосфатным буфером, апообелин дитиотреитолом). Подбор состава растворов для очистки является трудоемкой поисковой задачей. Исследование механизма физико-химического взаимодействия, существующего между наноалмазом и белком в известной среде раствора актуально из практических соображений. При наличии компьютерной модели, отражающей физико-химические взаимодействия, возможно позволит производить предварительный подбор параметров растворителя подходящего для выделения конкретного белка (выделение и очистка рекомбинантного белка с применением частиц наноалмаза занимает около 30 минут против 2-3 дней хроматографической очистки [3]).
Поскольку по люциферазе имеется большее количество данных, чем по апообелину, (отснята структура молекулы) было решено остановить выбор на системе люциферазы и наноалмазных комплексов в качестве объекта исследования.
Цель работы — построение компьютерной модели системы наноалмаз- люцифераза в растворе, позволяющей качественно наблюдать сорбцию люциферазы на кластере из детонационных нанолмазов.
В связи с большим размером кластера из наноалмазов (более 50 нм в диаметре) и нескольких десятков макромолекул люциферазы в модели, было решено использовать метод грубозернистого моделирования, для которого до сих пор актуально развитие алгоритмов и методов параметризации упрощенных моделей.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
- упростить молекулу люциферазы с помощью грубозернистого подхода;
- создать грубозернистую модель наноалмазного кластера;
- провести расчет совместной эволюции наноалмазного кластера и нескольких молекул люциферазы в растворе.
Данная работа разделена на три части. В разделе «Обзор литературы» приводится теория по методам молекулярного моделирования, применяющихся для исследования молекулярных систем, свойства молекул люциферазы и наноалмаза в растворе. В разделе «Материалы и методы» рассматриваются инструменты для моделирования молекулярной динамики, способы представления молекул. Последний раздел посвящен описанию и обсуждению результатов.
В ходе работы были:
- изучены способы модельного представления (атомистическое и грубозернистое) молекул, виды взаимодействий, учитываемых на данном уровне моделирования,
- освоены готовый пакет программ расчета молекулярной динамики NAMD с сопутствующим ему инструментом визуализации VMD ;
- разработан способ составления наноалмазных кластеров нужной топологии;
- проведено составление модели молекул люциферазы и наноалмаза в рамках грубозернистого описания;
- составлена компьютерная модель системы наноалмаз-люцифераза в растворе, позволяющая качественно наблюдать сорбцию люциферазы на кластере из детонационных нанолмазов.
