Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время все большее внимание научного мира привлекают пограничные области физики, химии и биологии. Значительная часть научных открытий последних десятилетий произошла именно в таких смежных областях науки. Зачастую прогресс в решении той или иной проблемы связан с применением подходов, хорошо развитых в совершенно, на первый взгляд, другой области науки. Примерами могут служить применение модели Изинга к описанию популяционной эволюции, или отображения Пуанкаре - к описанию сердечной аритмии.
Цели настоящей работы также лежат в смежных областях физики, биологии и химии макромолекул. Исследуются вопросы корреляции между первичной последовательностью и конформационными свойствами макромолекул. Строятся простые модели, которые, с одной стороны, могут служить моделями сложных биологических макромолекул, с другой стороны - прообразом синтетических функциональных макромолекул. Наконец, предложенные эволюционного)добные процедуры синтеза могут служить как инструментом для создания новых сополимеров, так и моделью добиологической эволюции биополимерных аналогов. В работе развивается недавно предложенный метод "конформационно-зависимого синтеза" первичной последовательности, в рамках которого исследовано несколько более реалистичных модификаций.
Открытие в последние десятилетия все возрастающего количества функций молекул РНК, наряду с относительной простотой их строения, обострили внимание научного мира к этим объектам. Получается, что сополимер, состоящий из четырех типов мономерных звеньев и обладающий лишь насыщающимися взаимодействиями, способен реаяизовывать почти всю гамму функций биологических макромолекул. Вообще, на сегодняшний день распространено представление о так называемом "мире РНК": первые автокаталитические молекулярные системы и наиболее ранние формы жизни были основаны именно на РНК, а не на белках и ДНК. РНК выполняла все необходимые функции, начиная от хранения генетической информации и заканчивая синтезом биокатализаторов. Только в результате длительного процесса эволюции произошло, по всей видимости, разделение этих функций на более приспособленные для этого ДНК и белки. В этой работе предлагается и исследуется новая простая модель РНК-подобных сополимеров, особое внимание уделено влиянию различных типов первичной последовательности на свойства РНК-подобного сополимера.
>вления (отбора)
Большое внимание в работе уделяется также попыткам создать и проверить модели ранних шагов эволюции современных биологических макромолекул. Биологическая жизнь на Земле не могла зародится без предварительна^ ддщэдг^г >
j БИБЛИОТЕКА
\ 09 108^»ктр.7<
последовательностей, так называемой добиологической эволюции. Этот предварительный отбор требует огромного количества времени, по некоторым оценкам ~10 лет, и является принципиально важным шагом к возникновению жизни. Как же происходила эта добиологическая эволюция? Этот вопрос тесно связан с созданием искусственных катализаторов и белков. Ответив на него, мы сможем лучше понять принципы создания функциональных макромолекул. Однако, имеет право на существование и другая постановка задачи: задавая правила эволюции (отбора) и выбирая в качестве начальной некоторую случайную последовательность, попытаться прийти к биоподобным структурам. Такой подход к синтезу последовательностей получил впоследствии название «биоэволюционный». В данной работе предложено несколько новых алгоритмов для такого «биоэволюционного» синтеза, как для синтеза новых последовательностей с конформационно-зависимыми свойствами, так и в качестве моделей добиологической эволюции молекул РНК.
Целью работы является теоретическая разработка новых методов создания полимерных материалов на основе использования наиболее общих принципов функционирования биологических макромолекул и проверка этих теоретических моделей в компьютерном эксперименте.
Основные задачи работы:
Исследовать статистические свойства белково-подобных последовательностей, полученных в результате конформационно-зависимого синтеза, провести сопоставление данных компьютерного моделирования и аналитического рассмотрения белково-подобных глобул.
Разработать и применить к белково-подобным глобулам более реалистичный метод конформационно-зависимого синтеза, учитывающий временную протяженность процессов химической модификации мономерных звеньев. Исследовать влияние степени компактности материнской конформации на структуру конформационно-зависимой последовательности. Провести анализ влияния относительного состава сополимера на статистику синтезируемых последовательностей.
Создать модель ABC-сополимера, обладающую некоторыми простейшими свойствами белка с активным центром.
Предложить и реализовать модель РНК-подобных сополимеров - АВ-сополимеров с возможностью образовывать насыщающиеся А-В связи. В модели учесть такие особенности биологических аналогов как кооперативность образования комплементарных участков, направленность и жесткость основной цепи, наличие флуктуации. С помощью такой модели исследовать свойства сополимеров с различными типами первичной последовательности.
5. Предложить и опробовать в компьютерном эксперименте новые методы оптимизации/эволюции первичной структуры для получения устойчивых конформаций при заданных внешних условиях. Предложить модель эволюции РНК-подобных макромолекул.
Научная новизна результатов.
Метод конформационно-зависимого синтеза впервые реализован для АВС-сополимеров, имеющих в своем составе три типа звеньев. За материнскую конформацию бралась глобула с выделенным "активным центром" внутри. Такая глобула может служить простейшей моделью фермента или другого белка с биологически активным центром.
Впервые разработан и опробован более реалистичный алгоритм конформационно-зависимого синтеза. В реальных условиях необходимо учитывать фактор времени, так как синтез и модификация в лабораторных экспериментах происходят не мгновенно, а растянуты во времени. В этой связи алгоритм компьютерного синтеза был изменен: теперь конструирование первичной последовательности происходит постепенно, путем повторения последовательных итераций - изменения сорта одного мономерного звена (имеющего больше всего контактов с растворителем) и уравновешивания промежуточной конформаций.
Предложена новая простая модель РНК-подобных сополимеров, учитывающая, тем не менее, такие немаловажные факторы как кооперативность и направленность формирования спаренных участков цепи. Помимо случайных последовательностей, рассматривались последовательности диблока, а также специально приготовленные случайно-комплементарные последовательности. Исследовано влияние флуктуации и жесткости на свойства конформационных переходов в РНК-подобных макромолекулах, в том числе, оценено дополнительное влияние первичной последовательности при учете этих факторов. Наконец, впервые приведены оценки вырожденности вторичной структуры макромолекулы в основном состоянии для различных типов первичной последовательности и внешних условий.
Большое внимание в работе уделяется также попыткам создать и проверить новые модели ранних шагов эволюции современных биологических макромолекул. В работе предложено несколько новых алгоритмов для такого «биоэволюционного» синтеза, как для синтеза новых последовательностей с конформационно-зависимыми свойствами, так и в качестве моделей добиологической эволюции молекул РНК.
Практическая значимость. Во-первых, методы конформационно-зависимого и биоэволюционного синтеза позволяют разрабатывать аппарат для конструирования специальных первичных последовательностей с целью создания функциональных полимеров с требуемыми свойствами. Во-вторых, предложены и проверены модели, пока простейшие,
для сложных биологических макромолекул. Лабораторные исследования таких систем чрезвычайно сложны, компьютерное моделирование точных моделей затруднительно в связи с недостатком вычислительных мощностей. Создавая простые огрубленные модели, можно оценить важность влияния тех или иных факторов, получить общее представление о поведении таких систем. Кроме того, такие модели могут служить «мостиками» для построения аналитических теорий сложных биологических макромолекул. Наконец, анализируя и перенимая принципы создания, функционирования и эволюции биологических макромолекул, можно выйти на качественно новый уровень создания синтетических макромолекул, приближаясь к уровню миниатюризации и функциональности, достигнутому природой.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на 14 конференциях: на 3-ем международном симпозиуме «Молекулярный порядок и подвижность в полимерных системах» (Санкт-Петербург, 7-10 июня 1999 г.), на симпозиуме-семинаре «Компьютерное моделирование полимерных смесей и сополимерных смесей» (Лион, 13-15 Сентября 1999 г.), на международной конференции «Нелинейная динамика в науке о полимерах и смежных областях» (Десна, 11-15 октября 1999 г.), на 2-ом Каргинском симпозиуме «Химия и физика полимеров в начале 21-го века» (Черноголовка, 29-31 мая 2000 г.), на всемирном полимерном конгрессе «ИУПАК МАКРО 2000» (Варшава, 9-14 июля 2000 г.), на конференциях аспирантов и студентов УНЦ по химии и физике полимеров и тонких органических пленок (С.-Петербург, 18-20 октября 2000 г., Дубна, 6-7 февраля, 2000, Пущино, 2001 г., Дубна, 1-3 апреля 2002 г.), на конференции аспирантов и студентов "Ломоносов 2000" (Москва, 2000 г.), на конференции по вычислительной физике «ССП-2001» (Аахен, 5-8 сентября 2001 г.), на ежегодной конференции Датского физического общества (Нюборг, 30 мая - 1 июня, 2002г.), на 4-ом международном симпозиуме «Молекулярный порядок и подвижность в полимерных системах» (Санкт-Петербург, 3-7 июня 2002 г.), на 5-ом международном конгрессе по математическому моделированию (Дубна, 30 сентября - 6 октября, 2002 г.).
Публикации. По результатам работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Работа содержит 120 страниц текста, включая 57 рисунков и 3 таблицы.
