Исследование динамики капсид растительных и животных вирусов

Пакет SOP-GPU разработан студентами и аспирантами научных групп под руководством В. Барсегова (University of Massachussets Lowell) и Я.А. Холодова (Московский физико-технический институт) для проведения вычислительного (in silico) моделирования воздействия внешней силы на вирусные капсиды CCMV, HK97 и ϕ29. Результаты молекулярного поделирования механического воздействия на эти биологические конструкции непосредственно сравнимы с получеными из эксперимента кривыми силовой индентации, предоставлеными нашими коллабораторами – лабораторией д-ра Вюйта (Dr. Wuite lab) (University of Amsterdam) и лабораторией д-ра Дишера (Dr. Discher lab) (Dr. Ivanovska, UPenn, School of Medicine). Физические свойства вирусных оболочек исследовались в зависимости от их формы и других факторов (pH и местные мутации), при экспериментально воспроизводимых условиях приложения силы, включая скорость изменения силы, коэффицент жёсткости и размер шарика кантилевра. Мы надеемся пролить свет на механизм(ы),  определяющие переход из упругого в пластичный режим, фазовые переходы и механические разрывы в этих системах. Максимально использовались возможности GPU для ускорения данных биомолекулярных симуляций. Например, при использовании одной GPU GeForce GTX 480, генерация одной траектории силовой индентации для вирусной оболочки  CCMV (35 000 аминокислотных остатков) занимает около 16 дней при использовании пакета SOP-GPU и применяемой в экспериментах скорости ~1 мкм/с.

 

Вычислительный эксперимент по силовой индентации капсиды HK97

Вычислительный эксперимент по силовой индентации капсиды бактериофага HK97

 

Силовая индентация бактериофага HK97 in silico

Крупномаштабные конформационные переходы зависят в большей степени от топологии и расположения элементов выторичной структуры в общей структуре системы, чем от атомарных деталей. Мы используем модель самоорганизующегося полимера (Self Organized Polymer, SOP) и динамику Ланжевена, полностью реализованые на GPU (пакет SOP-GPU), для проведения in silico экспериментов, направленых на изучение механических свойств бактериофага HK97 (115 140 аминокислотных остатков). Эта биологическая структура состоит из 420 копий белка gp5, образующих 60 икосаэдральных фрагментов, каждый из которых состоит из 7 A-G доменов. Внешний радиус капсиды составляет примерно 32нм, средняя толщина стенки – 2.1нм (в состоянии head II; PDB 2FT1). Мы исследуем механическую реакцию бактериофага HK97, производя его индентацию с зависящей от времени силой f(t)=rft, где rf=κvf – скорость изменения силы, а κ и vf – константа жёсткости кантилевра и скорость его шарика соответственно. Мы анализируем зависимость физических свойств HK97 от скорости rf и геометрии механического возмущения (различный радиус шарика кантилевра R). Для получения одной траектории индентации длиной 20мс (109 шагов) при v= 2.5 мкм/с требуется 34 дня при использовании GeForce GTX 480. Мы наблюдаем целый спектр механических реакций, от постепенной индентации до прогибания и разрыва. Эти результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, получеными на других вирионах. Такие динамические особенности могут быть использованы для интерпретации пиков и изгибов, наблюдаемых на экспериментальных кривых силовой индентации.

Непрерывная индентация

Прогибание

Разрыв структуры