ИСТИНА

Проект направлен на разработку новых и совершенствование имеющихся методов молекулярного моделирования фоточувствительных ретиналь-содержащих белков (родопсинов) с целью предсказания изменения их пространственной структуры, динамики, термостабильности и функциональных параметров при направленной вариации аминокислотного состава, свойств окружающей среды и внешних силовых полей. Проведение исследований в рамках данного проекта тесно координируется с экспериментальными исследования в проектах партнеров из ИБХ РАН (СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕТИНАЛЬ-СОДЕРЖАЩИХ БЕЛКОВ ЭКСТРЕМОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ) и ФИЗТЕХа (Функциональные исследования и пространственная структура новых ретиналь-содержащих белков), в которых будут получены результаты необходимые для уточнения протоколов молекулярного моделирования структурной динамики изучаемых совместно ретиналь-содержащих белков, их функционирования и отклика на внешние воздействия. В качестве инструментария для предлагаемого в данном проекте исследования будут использованы методы молекулярной динамики в полноатомном приближении, методы метадинамики, гибридные методы квантовой химии и молекулярной динамики, современные методы анализа траекторий для определения физико-химических параметров макромолекулярных систем. Совокупность работ, выполняемых в данном научном проекте и в предлагаемых трех проектах КОМФИ позволяет продвинуться на новый уровень в понимании структурной и динамической организации фоточувствительных ретиналь-содержащих белков, которая обеспечивает их уникальные функциональный свойства. Это создает основу для направленного и рационального дизайна этих структур методами белковой инженерии для решения различных задач биомедицины (включая задачи оптогенетики) и биофотоники при создании сверхбыстрых технических устройств с различной спектральной чувствительностью.

The project is aimed at developing new and improving the available methods of molecular modeling of photosensitive retinal-containing proteins (rhodopsins) in order to predict changes in their spatial structure, dynamics, thermostability and functional parameters with a directed variation of the amino acid composition, environmental properties and external force fields. The research within the framework of this project is closely coordinated with experimental studies in the projects of partners from the Institute of Biochemistry of the Russian Academy of Sciences (STRUCTURAL AND FUNCTIONAL RESEARCHES OF RETINAL-CONTAINING PROTEINS OF EXTREMOPHILIC MICROORGANISMS) and PHYSTICS (Functional Investigations and Spatial Structure of New Retinal-Containing Proteins) to clarify the protocols of molecular modeling of the structural dynamics of the retinal-containing proteins studied together, their functioning and tklika to external influences. Methods of molecular dynamics in the full atom approximation, methods of metadynamics, hybrid methods of quantum chemistry and molecular dynamics, modern methods for analyzing trajectories for determining the physico-chemical parameters of macromolecular systems will be used as a tool for the proposed study. The totality of the works performed in this scientific project and in the proposed three projects of the COMFI allows to move to a new level in understanding the structural and dynamic organization of photosensitive retinal-containing proteins, which provides their unique functional properties. This creates the basis for the directed and rational design of these structures by the methods of protein engineering for solving various problems of biomedicine (including problems of optogenetics) and biophotonics in the creation of ultrafast technical devices with different spectral sensitivity.

Основной целью проекта является разработка новых и оптимизация существующих методов молекулярного моделирования структуры и свойств ретиналь-содержащих белков. Будут проанализированы все этапы вычислительного эксперимента: построение множественного выравнивания аминокислотных последовательностей, моделирование структуры на основании гомологии (включая оценку качества полученной модели), получение траекторий методом молекулярной динамики, анализ траекторий, расчет спектральных свойств гибридными методами квантовой химии и молекулярной механики (QM/MM). Объектами, которые будут использованы при всестороннем анализе вычислительных методов, станут как ретиналь-содержащие белки с уже известной пространственной структурой (бактериородопсин, галородопсин, каналородопсин и другие), так и белки, для которых известна лишь первичная структура. Полученные методы позволят продвинуться в понимании молекулярных основ общей стабильности, термостабильности, кинетических характеристик, квантового выхода и спектральной чувствительности родопсинов для решения перспективных задач оптогенетики и биофотоники. Для достижения целей проекта планируется решение следующих задач: 1. Создание специфической матрицы аминокислотных замен, ориентированной на оценку выравнивания бактериальных ретиналь-содержащих белков; 2. Создание метода оценки качества структурных моделей ретиналь-содержащих белков на основе анализа микроокружения аминокислотных остатков или радиальных функций распределения атомов белков; 3. Адаптация методов метадинамики для изучения конформационных изменений ретиналь-содержащих белков в процессе фотоцикла. 4. Анализ траекторий молекулярной динамики для оценки термостабильности бактериальных ретиналь-содержащих белков. 5. QM/MM-анализ пространственной локализации электронной плотности в активном центре родопсинов и ее изменение в ходе фотовозбуждения. 6. Определение энергетического барьера отвечающего переходу из основного в возбужденное состояние и верификация с известными максимумами поглощения ретиналь-содержащих белков.

2017 Смитиенко О.А., Некрасова О.В., Кудрявцев А.В., Яковлева М.А., Шелаев И.В., Гостев Ф.Е., Долгих Д.А., Кольчугина И.Б., Надточенко В.А., Кирпичников М.П., Фельдман Т.Б., Островский М.А. Фемто и пикосекундная динамика первичных реакций рекомбинантного бактериородопсина в сравнении с природным белком в тримерном и мономерном состояниях. Биохимия, том 82, № 4, с. 664-676

Работа на заключительном этапе проходила в соответствии с заявкой и целями комплексного исследования по следующим направлениям: -Тестирование и применение разработанных оценочных функций для отбора структурных моделей ретиналь-содержащих белков, близких к природным структурам -Разработка методов классификации ретиналь-содержащих белков по последовательности с использованием алгоритмов нейронный сетей -Разработка протоколов моделирования для создания и изучения влияния аминокислотных замен на конформацию и стабильность ретиналь-содержащих белков -Разработка кластерной модели для изучение эффектов влияния аминокислотного окружения ретиналя и особенностей структуры родопсин-подобных фотобелков на эволюцию распределения электронной плотности после фотовозбуждения, сопутстсвующей конформационной релаксацией и ее взаимосвязи с переносом протона с участием донорных и акцепторных групп аминокислотного интерьера и молекул воды. Полученные результаты на данном этапе показывают границы применимости различных оценочных функций для предсказания пространственной структуры ретиналь-содержащих белков (РСБ), демонстрируют улучшение предсказательности результатов с использованием алгоритмов нейронных сетей и имеющихся на данный момент тестовых выборок, дают возможность с использованием методов термодинамичнеского интегрирования получить изменения свободной энергии пространственной структуры белка при точечных мутациях, связывают точечные мутации в окрестности ретиналя с изменением спектров поглощения и рК групп, которые принимают участие в переносе протона после фотовозбуждения хромофора. По итогам выполнения всех трех этапов в рамках проекта создан широкий набор методов, методик и отработаны протоколы молекулярного моделирования для определения влияния точечных мутаций в РСБ на параметры, к которые оказывают непосредственное влияние на функциональную активность. Данные подходы необходимы для развития инженерии фоточувствительных белков. Вместе с тем, по результатам исследований стали более понятными пробелы в фундаментальных представлениях о механизмах функционирования фотобелков и необходимые направления для дальнейшего развития фундаментальной науки и молекулярного моделирования в этой области.