ИСТИНА

Рассматриваются новые подходы к постановке задач и развитию теоретических представлений о динамике биополимеров и механизмах самоорганизации их пространственной структуры. Несмотря на повальное увлечение в последние годы молекулярным моделированием с использованием высокопроизводительных вычислений мы полагаем, что современные аналитические (математические) методы себя далеко не исчерпали, а в ряде случаев остаются пока единственным инструментом для поиска ответов на наиболее трудные вопросы динамики биополимеров и молекулярной организации живых систем. В качестве примера приведем десяток таких проблем, на которые непонятно как можно было бы конкретно ответить с традиционных позиций: 1. Биополимеры, которые являются основой для функционирования живых систем (ДНК, РНК, белки) представляют собой длинные линейные полимеры, каждый из которых построен из небольшого числа типов мономерных звеньев. Для этих полимеров и их комплексов свойственно образование специфических (уникальных) пространственных структур. Функциональная активность этих макромолекул теснейшим образом связана с возможностью формирования такого рода 3D-структур. И первый вопрос на пути понимания физических принципов, лежащих в основе живого состоит в следующем - имеются ли у линейных полимеров некие общие физические особенности, которые могут оказаться полезными для их использования в живых системах? И если есть, то при каких условиях они могут проявиться? 2. Как известно, биополимеры построены из хиральных мономерных звеньев. Мы намеренно здесь не касаемся вопроса о причинах и механизмах выбора в процессе молекулярной эволюции мономерных единиц с определенным знаком хиральности. Но наш вопрос заключается в поиске физической причины, которая определила использование именно хиральных структур для биополимеров или почему для биополимеров нельзя было ограничиться зеркально симметричными структурами? 3. В настоящее время известны пространственные структуры свыше 200 тыс. биополимеров и их комплексов. Обращает внимание преобладание в их укладках различных спиральных структур. Есть ли общая для всех этих структур физическая причина столь частого использования спиральных мотивов? 4. При сворачивании полимерной цепи репрезентативная точка движется по ультрамногомерной поверхности потенциальной энергии. Почему биополимерная цепь при сворачивании не запутывается и почему наблюдаются случаи с резко различными временами сворачивания (от относительно редких значений порядка нс до типичных мс)? Этот вопрос тесно связан с другим. Для многомерной поверхности потенциальной энергии биополимеров, которые за разумное время сворачиваются в уникальные пространственные структуры около 30 лет назад был предложен принцип определенного устройства этих поверхностей в виде относительно гладкой воронки (принцип минимальной фрустрации энергетической воронки). Есть ли физические причины, по которым для полимерных структур определенного типа этот принцип справедлив и чем выделены эти полимеры? 5. Многомерная поверхность потенциальной энергии для биополимера, который сворачивается в уникальную пространственную структуру должна быть устроена по принципу энергетической воронки. Вместе с тем, многочисленные эксперименты по кинетике фолдинга показывают, что поверхность свободной энергии для этого процесса имеет вулканообразный профиль, который требует преодоления некоторого энергетического барьера для биополимерной цепи перед переходом в состояние, из которого возможен фолдинг. Считается, что этот барьер имеет энтропийный характер. Является ли вулканообразный профиль поверхности свободной энергии следствием общих физических закономерностей, которые регулируют процесс фолдинга для линейных полимеров? Какими физическими характеристиками биополимера определяется высота энтропийного барьера? 6. При мягкой денатурации белков в растворе происходит разрушение пространственной структуры и переход полимерной цепи в состояние, которое близко к клубковому. После нейтрализации денатурирующего агента наблюдается процесс рефолдинга и сворачивание полимерной цепи в исходную 3D-структуру. Однако замечено, что быстрое силовое разворачивание белковой цепи, например, атомно-силовым микроскопом переводит полимерную цепь в конформации, из которых рефолдинг не происходит. То есть не все развернутые состояния полимерной цепи эквивалентны с точки зрения фолдинга или сворачивания в уникальную пространственную структуру. Возникает вопрос, при каких условиях и для каких систем могут проявиться физические закономерности дифференциации развернутых (денатурированных) состояний биополимерной цепи, которые на первый взгляд кажутся просто случайными? В чем причина неспособности белка к рефолдингу после быстрого силового разворачивания его 3D-структуры? С этим вопросом мы тесно связываем и другой вопрос о механизме котрансляционного фолдинга, когда конформации полипептидной цепи, которые получаются в процессе ее биосинтеза на рибосоме оказываются благоприятными для последующего сворачивания этой цепи в уникальную пространственную структуру. При каких условиях возникает физическая причина для связи между механизмом биосинтеза белка и его фолдингом? 7. Существующий вариант жизни на нашей планете тесно связан с наличием достаточного количества жидкой воды. Большую роль в стабилизации пространственных структур биополимеров играют водородные связи с энергией порядка 5 ккал/моль. С другой стороны, первичные последовательности белков построены из альфа-аминокислот. В этом случае в основной цепи каждый аминокислотный остаток имеет две степени свободы - углы поворотов вокруг двух одинарных связей (углы фи и пси). В принципе, использование, например, для построения структур "белков" бета-аминокислот, у которых имеется три подобных степени свободы могло бы дать много больше возможностей для эволюции и естественной инженерии разнообразных 3D-структур. Природа остановилась только на альфа-аминокислотах. Есть ли физическая причина (и в чем она) выбора именно альфа-аминокислот (а не, например, их бета-аналогов) при построении белковых структур? 8. В обсуждаемом выше контексте, интересно и насколько критичны температурные условия для формирования уникальных 3D-структур линейными полимерами? Есть ли физические и количественные связи между диапазоном температур на планете и химическим составом линейных полимеров, которые для проявления функциональной активности должны формировать уникальные 3D-структуры? 9. Характерной чертой известных нам живых систем является использование для обеспечения разнообразных функций линейных полимеров, которые в заданном диапазоне внешних условий формируют уникальные пространственные структуры. Если с этой точки зрения взглянуть на проблему возникновения жизни (абсолютно случайный характер возникновения из некоего первичного бульона нужных структур биополимеров с возможностью опять же случайной сборки неких простейших организмов мы не рассматриваем), то возникает вопрос о наличии фундаментальных физических закономерностей, которые шаг за шагом в ходе физико-химической эволюции приводят к полимерным макромолекулам, которые спонтанно способны сворачиваться в уникальные 3D-структуры. В свою очередь, подобные макромолекулярные образования, являясь некими первичными "кирпичиками" могли бы химически эволюционировать, вступать во взаимодействия, приводя к протоформам биоструктур и далее. Тем самым возникает вопрос о возможном существовании физических закономерностей, которые могут создать стрелу добиологической молекулярной эволюции и направить ее в конструктивное для биологии направление? 10. Многие значимые и полезные результаты в современной биологии получены методами компьютерного молекулярного моделирования, которые в значительной мере основаны на молекулярной динамике - то есть решении системы классических уравнений движения для системы из большого числа атомов. Ключевым моментом здесь является количественно точное знание сил, которые действуют на каждый атом в текущей конфигурации системы в заданный момент времени. Эти силы задаются как отрицательные градиенты многомерной функции (поверхности) потенциальной энергии системы, которая зависит от координат всех атомов. Даже уже для систем из порядка сотни атомов задание в общем виде 300-мерной функции и работа с ней непосильна для самых совершенных компьютеров без кардинальных упрощений. Одно из наиболее существенных упрощений при моделировании биополимерных систем состоит в задании вклада невалентных взаимодействий в потенциальную энергию через сумму парных атом-атомных потенциалов. При этом параметры этих потенциалов определяются калибровкой (проще говоря, подгонкой), которая работает при вычислении некоторых стандартных характеристик для узкого класса систем. С другой стороны, для системы, например, из нескольких тысяч атомов (не очень большой белок) число слагаемых в сумме парных взаимодействий будет несколько миллионов. Даже если принять, что точность определения каждого из этих парных потенциалов доли процента (в самом оптимистичном варианте), то понятно, что подобные суммы мало контролируемы, не говоря уже об их градиентах. С этой точки зрения, результаты молекулярной динамики можно было бы признать сплошными артефактами. Однако, в целом ряде случаев (далеко не во всех) мы видим хорошую предсказательную силу МД-расчетов. Налицо определенный парадокс. Не должно быть, но получается. Вопрос состоит в понимании физических причин успеха правильно проведенных МД-расчетов и понимании проблемы в целом - что нужно принимать во внимание дабы избежать явных артефактов при молекулярном моделировании сложных биополимерных систем? Мы перечислили пример из 10 вопросов (их на самом деле больше), которые достаточно разнородные, но, как это ни странно, могут быть рассмотрены с единых позиций, основываясь на вполне понятной и хорошо известной физике с использованием математических идей, которые базируются на понятиях симметрии, топологии конфигурационного пространства линейных полимеров, асимптотических свойствах многомерных поверхностей и теории Морса для описания топографии многомерных поверхностей (в данном случае поверхностей потенциальной энергии биополимера). Мы кратко обобщим полученные нами в этом направлении результаты и наметим возможные пути дальнейшего развития этой области науки. При поддержке Междисциплинарных научно-образовательных школ Московского университета "Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология" и "Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект".