Современная биология без компьютеров как без рук — практически во всех молекулярных областях компьютерные (или «in silico») эксперименты позволяют получить важную информацию о происходящем на уровне отдельных молекул при помощи вычислительных алгоритмов. Один из них — метод молекулярной динамики (МД) [1] — описывает молекулярные события «в реальном времени», и даже — гипотетически — позволяет проследить за процессом самопроизвольного сворачивания молекулы белка в нативную форму. Гипотетически — потому что до недавнего времени вычислительных мощностей суперкомпьютеров не хватало для моделирования в таком временном диапазоне, чтобы сравняться со временем, за которое молекулы белков сворачиваются в действительности. (В этой связи для теоретического предсказания пространственного строения белков используют не МД, а более «окольные» методы [2].)

Недавно в журнале Science опубликовали работу, в которой описаны расчеты МД нескольких белковых молекул в водном окружении длительностью 0,1–1 миллисекунды [3] (а миллисекунды (10⁻³ с) — это как раз то время, за которое многие белки сворачиваются в реальности). При этом все молекулы в этой работе были заданы максимально детально (полно-атомное описание). Траектория такой длительности позволила авторам «в реальном времени» наблюдать процесс сворачивания небольших α-спирального (виллин) и β-структурного белков (FiP35), причём за это время было отмечено несколько актов сворачивания-разворачивания. Для более крупного белка — ингибитора бычьего панкреатического трипсина (БПТИ) — получены более скромные результаты: вблизи нативного состояния проследили конформационные переходы, по ряду параметров соответствующие происходящим в реальности. В результате виртуального сворачивания получены модели виллина и FiP35, максимально близко соответствующие экспериментальным структурам (рис. 1). Наблюдаемая конформационная динамика БПТИ также хорошо согласуется с имеющимися данными спектроскопии ЯМР.

До этого самые длительные опубликованные аналогичные расчеты для FiP35 имели длительность «всего» 10 микросекунд. Таким образом, Шоу и его сотрудники увеличили эффективность расчётов на два порядка. Примечательно, что подобное достижение было получено в частном исследовательском центре, где уровень дохода научных работников немногим уступает финансистам с Уолл-стрит, — откуда, собственно, и «переквалифицировался» Шоу после почти полутора десятков лет управления собственным хеджевым фондом.

Стоит отметить, что 33 года назад МакКэмонн и Карплюс опубликовали пионерскую работу в Nature [4], в которой была описана МД БПТИ длительностью всего несколько пикосекунд (10⁻¹² с). Таким образом, современная компьютерная техника сделала существенный прогресс за эти годы — мы на 9 порядков (в миллиард раз!) приблизились к процессам, происходящим в живой клетке.

Литература

1. Молекулярная динамика биомолекул. Часть I. История полувековой давности;
2. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
3. D. E. Shaw, P. Maragakis, K. Lindorff-Larsen, S. Piana, R. O. Dror, et. al.. (2010). Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins. Science. 330, 341-346;
4. J. Andrew McCammon, Bruce R. Gelin, Martin Karplus. (1977). Dynamics of folded proteins. Nature. 267, 585-590;
5. R. F. Service. (2010). Custom-Built Supercomputer Brings Protein Folding Into View. Science. 330, 308-309.