Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp kết hợp các mức độ phân giải khác nhau trong một mô phỏng máy tính của màng sinh học. Thuật toán của họ bao gồm một mô hình quy mô lớn bao gồm các tính năng, chẳng hạn như độ cong của màng, với mô hình phân tử hạt thô tương ứng của nó. Điều này đã cho phép họ phóng to vào màng nảy mầm độc tố và mô phỏng màng lipid ty thể có kích thước đầy đủ. Cách tiếp cận của họ mở đường cho các mô phỏng toàn bộ tế bào ở cấp độ phân tử.
Các nhà khoa học từ Đại học Groningen đã phát triển một phương pháp kết hợp các mức độ phân giải khác nhau trong một mô phỏng máy tính của màng sinh học. Thuật toán của họ bao gồm một mô hình quy mô lớn bao gồm các tính năng, chẳng hạn như độ cong của màng, với mô hình phân tử hạt thô tương ứng của nó. Điều này đã cho phép họ phóng to vào màng nảy mầm độc tố và mô phỏng màng lipid ty thể có kích thước đầy đủ. Cách tiếp cận của họ được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 8 tháng 5, mở ra con đường mô phỏng toàn bộ tế bào ở cấp độ phân tử.
Mô phỏng động lực phân tử là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các chuyển động và tương tác của các nguyên tử và phân tử. Tuy nhiên trong nhiều quá trình sinh học thì những thay đổi quy mô lớn của hình dạng màng rất quan trọng. “Những thay đổi hình dạng này có tầm quan trọng cơ bản đối với hoạt động của tế bào”, Siewert-Jan Marrink, Giáo sư Động lực học Phân tử tại Đại học Groningen giải thích. ‘Tuy nhiên, quy mô thời gian và chiều dài của những thay đổi hình dạng màng này là quá lớn đối với mô phỏng ở độ phân giải phân tử.’
Thách thức
Mặc dù sự gia tăng sức mạnh tính toán cho phép mô phỏng phức tạp hơn và dài hơn, các cấu trúc tế bào như ty thể vẫn nằm ngoài tầm với. Đó là lý do tại sao nhóm Động lực học phân tử đã phát triển một thuật toán liên kết các thay đổi quy mô lớn với mô phỏng cấp độ phân tử. Đối với ty thể, họ bắt đầu với một bản đồ mật độ vi điện tử. Mật độ được dịch thành các cấu trúc lipid và chúng được sử dụng làm đầu vào cho mô phỏng động lực phân tử với trường lực Martini hạt thô (CG), được phát triển trước đây bởi Marrink.
Wria Pezeshkian, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Marrink và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Điều khó khăn là đặt lipit theo đúng hướng trong bản đồ mật độ này, điều này đặc biệt khó khăn ở những khu vực bị uốn cong”. Thuật toán cho phép người dùng thêm các loại lipit khác nhau vào màng, ở mức đóng gói thực tế. Sử dụng phương pháp này, Marrink và các đồng nghiệp của ông đã có thể mô phỏng toàn bộ màng lipid của một ty thể trong hai nano giây. Cấu trúc này chứa hơn năm triệu lipid, điều đó có nghĩa là mô phỏng phải xử lý 80 triệu hạt vì mỗi phân tử lipid bao gồm nhiều hạt.
Hình tam giác
Xem xét kích thước và hình dạng, độ phức tạp của mô phỏng này lớn hơn bất kỳ mô phỏng nào được thực hiện trước đây. Một mô phỏng của micro giây có thể đã có thể, nhưng vì nhóm của Marrink không có thông tin về nội địa hóa các protein trong màng ty thể, nó chỉ chứa lipid và do đó không ổn định. Thêm sự phức tạp thêm này vào mô phỏng là điều chắc chắn có thể và hiện đang được tiến hành.
Thay vì bản đồ mật độ, đầu vào cho hệ thống cũng có thể là một mô hình liên tục, đại diện cho bề mặt màng như hình tam giác được tạo thành từ các nút được kết nối bởi ‘lò xo’. Một mô hình như vậy có thể tính toán các lực được tạo ra bởi biến dạng màng. Việc vẽ lại lipit và protein độc tố lên các phần tương ứng của mô hình này cho phép Marrink và các đồng nghiệp của ông phóng to hành vi phân tử trong cuống của một màng tế bào được gây ra bởi tác động chung của nhiều chất độc.
Tế bào tổng hợp
Mục tiêu cuối cùng của các nhà khoa học là mô phỏng toàn bộ tế bào nhân chuẩn và phóng to các phần cụ thể của vật thể này. Điều này hiện nằm ngoài tầm với, mặc dù hệ thống hiện tại đã cho phép mô phỏng các vật thể lớn bên trong một tế bào, chẳng hạn như mạng lưới nội chất hoặc bộ máy Golgi. Và chúng ta có thể mô phỏng một tế bào hồng cầu.
Một tế bào tổng hợp đơn giản có thể sớm trong tầm tay. Marrink tham gia vào một dự án nhằm tạo ra một tế bào tổng hợp và có thể mô phỏng các quá trình như phân chia tế bào sẽ giúp thiết kế của nó. Họ thực sự muốn biết loại lipit và protein nào có thể đóng vai trò trong sự co thắt tế bào trong quá trình phân chia.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Groningen . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :