«Эта работа закладывает основы для восстановления ландшафтов сворачивания белков непосредственно из экспериментальных данных, обеспечивая путь к новому пониманию и рациональному дизайну белков», — пояснил Эндрю Фергюсон, доцент кафедры материаловедения и инженерии Иллинойского университета в Урбане. Шампанское. «Хотя мы по-прежнему далеки от этой цели, наше понимание сворачивания белков было революционизировано« новым взглядом », который рассматривает сворачивание молекул как конформационный поиск на поверхности свободной энергии, направленной через воронки».Согласно Фергюсону, поверхность свободной энергии одной молекулы кодирует всю термодинамику и пути сворачивания, определяя структуру и динамику белка. Каждая точка ландшафта соответствует ансамблю сходных конформаций белков, а высота ландшафта определяет их стабильность.
Ключевой целью физической химии является определение ландшафтов складчатости молекул.«Пейзажи молекулярной складчатости можно вывести из длительного компьютерного моделирования, в котором известны положения всех атомов в молекуле», — сказал Цзян Ван, научный сотрудник и первый автор статьи «Нелинейная реконструкция поверхностей свободной энергии одиночных молекул. из одномерных временных рядов », опубликованной в Physical Review E.«Экспериментальные методы, такие как резонансный перенос энергии Форстера одиночной молекулы (FRET), могут измерять расстояния между ковалентно привитыми молекулами флуоресцентного красителя, чтобы отслеживать размер молекулы как функцию времени, но до сих пор не удалось реконструировать складывающиеся воронки из "экспериментальные измерения единичных крупнозернистых наблюдаемых", — пояснил Фергюсон. «В этой работе мы объединили нелинейное машинное обучение и статистическую термодинамику с теоремой Такенса из теории динамических систем, чтобы продемонстрировать в компьютерном моделировании гидрофобной полимерной цепи, что можно определить ландшафты складчатости молекул на основе временных рядов одного экспериментально доступного наблюдаемый ".«Потеря информации, связанная с ее реконструкцией по единственному наблюдаемому, означает, что топография реконструированной воронки может быть нарушена — высота и глубина пиков и спадов свободной энергии могут быть изменены — но она точно сохраняет топологию истинного воронка — локальность, непрерывность и взаимосвязь молекулярных конфигураций », — отметил Ван. "Это означает, что складывающаяся воронка, определенная в данном случае путем измерения расстояния от головы до хвоста цепи, геометрически и топологически идентична и содержит точно такие же молекулярные состояния и пути перехода, что и рассчитанные на основе знания всех позиции атомов ", — добавил Фергюсон.
«Мы очень рады этому идеализированному доказательству принципа компьютерного моделирования полимерной цепи, и в настоящее время работаем над расширением нашего анализа на моделирование биологически реалистичных пептидов и белков, а также сотрудничаем с биофизиками, работающими с отдельными молекулами, чтобы применить нашу технику к экспериментальным измерениям настоящие белки ", — сказал Фергюсон.