生物膜的分子动力学模拟及计算研究的最新进展

医学信息学解锁26（2021）100744生物膜模拟：生物膜克里斯蒂安·T·K H. 斯塔特兰德独立研究员，100 3rd Avenue South，Unit 203，Minneapolis，MN，55401-2543，USAA R T I C L EI N FO关键词：生物膜膜结构计算研究分子动力学模拟A B S T R A C T生物膜（简称：生物膜）是允许生命存在的最复杂的结构之一。它们不仅作为将内部环境与外部环境分离和保护的有效结构屏障发挥重要作用，而且还提供了在各种功能性大分子（包括磷脂、胆固醇、蛋白质和碳水化合物）的帮助下成为可能的重要生物活性区域。近年来，计算机模拟已经变得流行（并补充实验室实验），以探索这些分子在空间和时间尺度上的复杂相互作用。本文介绍了生物膜的特性，并回顾了计算研究的最新进展。伯克维茨1. 介绍生物膜是复杂的大分子集合体，在维持生命中起着至关重要的作用。它们通过在内部和外部环境之间形成边界来控制主要含水细胞培养基中的分子交换。在原核生物和真核生物中都可以发现生物膜作为外质膜。此外，它们作为真核生物中内部细胞区室和细胞质之间的边界。这些内膜发生在细胞内细胞器周围，如细胞核、线粒体、内质网、高尔基复合体中的高尔基体和叶绿体等[1，2]。此外，有包膜的DNA和RNA病毒也含有膜;这些膜是通过病毒和感染的宿主细胞膜之间在细胞表面和细胞内隔室中的融合反应形成的，随后病毒在胞吞和出芽过程中进入、组装和释放[3]。对生物膜的兴趣可以追溯到100多年前，“边界研究一生物膜基本上由两亲性磷脂双层组成，其内部具有疏水尾部，外部具有亲水头部。辛格和尼科尔森[4]描述了质膜作为一个含有磷脂、胆固醇、蛋白质和碳水化合物等成分的基质，使膜具有流体特性，并作为与周围环境进行选择性分子交换的半渗透屏障。打交道 与 生物膜 在 实验室 实验 -什么？包括开发模型膜，如胶束、单层、脂质双层、脂质体和固体支持的脂质膜[5]–多样性，结构和组成的分子组成的膜在体内。作为一种替代方法（以及补充现有的或建议新的实验研究），数学建模和模拟方法变得流行，因为它们允许研究人员更详细地研究生物膜，并在生物相关的高空间和高时间分辨率。多年来已经开发了许多方法，包括蒙特卡罗模拟，原子建模和分子动力学（MD）模拟，以及多尺度和粗粒度分子技术[6]。随着算法设计的不断改进和计算机处理能力的不断提高，计算机辅助研究在生物膜复杂结构和功能的破译中将发挥越来越重要的作用。2. 书的描述我最近偶然发现了一本有趣的书，由马克斯·L。Berko-witz [7]，题目 是 Biomembrane Simulations ： Computational Studies of BiologicalMembranes。Berkowitz担任编辑，并召集了33位专家，他们共撰写了12章关于生物膜模拟与实验结果比较的各个方面。第一章的题目是“ 生物膜模拟的力 场” 。的作者Lyubartsev和Rabinovich描述了力场（FF）组织的一般原理，然后讨论了Monte Carlo的有用性模拟和FFS为MD模拟，包括GROMOS，电子邮件地址：ctkstadtlander@msn.com。https://doi.org/10.1016/j.imu.2021.100744接收日期：2021年8月4日;接收日期：2021年9月19日;接受日期：2021年9月20日2021年9月21日网上发售2352-9148/©2021的作者所有发表通过Elsevier 公司这是一个开放接入文章下的CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页：www.elsevier.com/locate/imuC.T.K. H. 斯塔特兰德医学信息学解锁26（2021）1007442CHARMM、AMBER、OPLS-AA和SLIPIDS。接下来是一节关于FF描述膜双层的实验行为的第二章是离子与生物膜的相互作用不仅影响双层的结构、动力学和稳定性，而且影响蛋白质结合、折叠、聚集和插入脂质双层。在本章中，关于自组装脂质膜的建模这本书的作者水-EX显式可极化膜（WEPMEM）脂质模型第四章介绍了显式和隐式溶剂模型的方法。几个例子和应用，包括流行的粗粒度FF模型，被称为马提尼模型，它已被应用于研究广泛的生物分子过程。AlexanderJ. Sodt在第三章中讨论了连续体模型，当考虑膜的弹性特性时，该模型可以是有用的。他为选择软件实现中使用的合适变量提供了指导。他还描述了膜，工程和分子建模观点之间的差异。在接下来的章节中，讨论了水在生物膜双层结构之间的动力学。更具体地说，作者描述了界面水的MD模拟，通过考虑不同水合水平下堆叠膜之间的水动力学，水动力学对膜距离的依赖性，氢键的作用，以及温度对水合水动力学的影响等。第五章是关于脂膜之间的短程相互作用。在这里，作者通过解释压力-距离曲线向读者介绍了膜相互作用的基本热力学。此外，他们回顾了在MD模拟中量化这些相互作用的几种方法，包括计算膜相（凝胶状到流体状态）和脂质化学（即，不同的脂质组合物）。因为生物膜是选择性的半渗透屏障，由于细胞内外环境之间的有效分子交换，通过孔形成研究天然膜的渗透性在基础研究中具有很大的意义。在应用研究中，生物工程师和生物医学研究人员对人工透化感兴趣，其目标是检测和可视化细胞内的分子以用于诊断目的;他们还对识别新的透化剂感兴趣。药物靶点并使改善药物输送系统）[8Berkowitz的书[ 7 ]的以下六 更具体地说，第六章和第七章分别讨论了脂膜成孔自由能的计算和膜转位自由能的计算。他们将实验中的膜孔与MD模拟描述的膜孔进行了比较，并讨论了脂质成分、电场、张力和膜活性剂对孔形成的影响等因素，以及特定溶胶的易位。 脂质双层中的蛋白质，如水和选定的氨基酸。Cardenas和Elber在第8章中重点讨论了小分子渗透通过描述溶解度-扩散模型，一种被称为“里程碑”的更新的计算方法。’计算这些里程碑之间的短轨迹。”随后的三章（第9-11章研究数据。第9章的作者着眼于纳米粒子（NPs）及其与生物膜的相互作用关注天然和合成的NP，他们不仅描述了NP的表面性质的影响（例如，电荷的影响）对这些颗粒和膜之间的相互作用（这里：膜结合，损伤和渗透性），而且配体对蛋白质形成的影响“电晕蛋白质在NP上的吸收）。本文还讨论了NP内化的机制。 理解分子机制-手术期间使用的麻醉剂的麻醉是实验者和建模者感兴趣的另一个主题。Jedlovszky在第十章中讨论了乙醇（一种典型的麻醉剂分子）和氙（一种惰性气体）在生物膜中的位置和分布。第十一章是关于脂双层中离子相互作用和离子介导的纳米结构域的形成。 作者指出，详细描述了阴离子和两性离子脂质Berkowitz书中的大部分信息由于原核生物的膜（即，细菌）与真核生物中发现的那些不同增加第12章，描述革兰氏阴性菌膜的分子动力学模拟。革兰氏阴性菌的细胞被膜包括由周质空间分隔的两层膜，周质空间包含薄的细胞壁。外小叶由脂多糖（LPS）分子组成，而内小叶含有磷脂的混合物。Khalid，Saunders和Haynes讨论了这些膜的原子模拟，以揭示LPS中的扩散特性和构象动力学（与磷脂相比），并回顾了有关特异性结合位点的发现3. 图书评价多年来，已经出版了许多关于生物膜研究的书籍然而，其中只有少数包括数学多尺度建模和/或计算机模拟方法（例如，[7，11Berkowitz生物膜的计算研究。据我所知，这是目前关于这一主题的最全面的一卷。投稿作者详细描述了旨在表征生物膜结构、组织、功能和动力学的计算研究和生物实验的优点和局限性。 此外，作者描述在生物物理学、生物化学、药理学和医学中的应用。我发现令人耳目一新的是，作者没有读者将欣赏到丰富的参考资料-列出了每章末尾列出的作者。为本书选择的图像很好地补充了文本中提供的信息。然而，所有的图像都以黑白的形式出现在章节中，此外，有些图像在书的中心部分再次显示为高质量的彩色照片。最好是直接在各自的章节中显示彩色图像，这样可以提高清晰度和理解力。我很惊讶，索引的关键字搜索是相对较短的只有三页，考虑到体积的术语使用在这本书中。索引中还应增加其他术语，如离子和离子、力场、细菌、膜融合、压力-距离曲线、溶剂模型和蛋白质冠;仅举几例。此外，如果在书中包括以下信息（最好是以章节的形式），病毒膜的模拟方法。近年来，关于这一主题发表了几篇论文（见例如：参考文献[16我同意Berkowitz [7]的观点，即“[作者]对本卷的贡献表明了生物膜模拟领域是多么广泛，有趣和重要。事实上，我找到了这本书有趣的，迷人的，信息丰富的，简洁的。书的封底上写着，这本书“是研究生的宝贵资源， 同学们， 研究人员 和 教官 在 生物化学，生物物理学、药理学、生理学和计算生物学。”观众总之，尽管有一些缺点，文本填补了一个有用的作用，为科学家感兴趣的计算研究的生物膜和比较的数据，从生物学实验获得的。我毫不犹豫地向读者推荐这本书。C.T.K. H. 斯塔特兰德医学信息学解锁26（2021）1007443作者批准我是这份手稿的唯一作者，并已批准出版的最终版本。伦理批准本手稿不包含使用动物的实验，也不包含人体研究。资金这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体的竞合利益作者没有与本文内容相关的竞争利益需要声明。确认我想感谢审稿人花时间审阅这份手稿。我非常感谢有机会向读者介绍这篇文章。引用[1] 格尔角关于生物膜结构的论文《生物学杂志》2019年;252：115 - 130。https://doi.org/10.1007/s00232-019-00061-w。[2] LombardJ.曾经的细胞膜：175年的细胞边界研究。9.第九章.https://doi.org/10.1186/s13062-014-0032-7网站。第32条.[3] 莱纳德·J 病毒膜。恩西Virol. 2008年;2008年：308-14。https://doi.org/10.1016/B978-012374410-4.00530-6。[4] 歌手SJ，尼科尔森GL。细胞膜结构的流体镶嵌模型。Science 1972;175：720-31.https://doi.org/10.1126/science.175.4023.720网站。[5] 海尼克·T生物膜的结构和物理性质及模型膜。斯洛伐克物理学报2006;56：687-805。https://doi.org/10.2478/v10155-010-0082-z.[6] EnkaviG，JavanainenM，KuligW，Ro'gT，VattulainenI. 多尺度模拟生物膜：理解生物物质中生物现象的挑战。Chem Rev 2019;119：5607-774.https://doi.org/10.1021/acs的网站。 chemrev.8b00538。[7] Berkowitz ML，编辑。生物膜模拟：生物膜的计算研究。第一ED BocaRaton，Florida：CRC Press; 2019.[8] Akimov SA，Volynsky PE，Galimzyanov TR，Kuzmin PI，Pavlov KV，BatishchevOV.脂膜孔的形成I：从完整的双层膜通过疏水缺陷到横孔的连续可逆轨迹。SciRep 2017;7. 网址：http：//doi.org/10.1038/s41598-017-12127-7第12152条.[9] KristancL，BoZhaz iZhacB，JokhadarSZhaz，DolencMS. 多烯的成孔作用从模型膜到生物体。BBA-生物膜2019;1861：418-30。https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2018.11.006网站。[10] Slastenova TA，Ulasov AV，Rosenkranz AA，Sobolev AS.抗体的靶向细胞内递送：最新技术水平。Front Pharmacol 2018;9. 网址：//doi.org/10.3389/fphar.2018.01208。第1208条。[11] Faller R，Jue T，Longo ML，Risbud SH，editors.生物膜前沿：纳米结构、模型与生命设计。Totowa，New Jersey：Humana Press;2009.[12] Sansom MSP，Biggin PC，编辑。分子模拟与生物膜：从生物物理学到功能。英国剑桥英国皇家化学学会出版社; 2010.[13] Igl i Zarc A，KulkarniCV，RappoltM，editors. 生物膜与脂质自组装的研究进展大会，第一卷23岁剑桥，马萨诸塞州：学术出版社; 2016年。[14] Bassereau P，Sens P，editors.生物膜物理学。Cham，Switzerland：SpringerNature Switzerland AG; 2018.[15] Lipowsky R，编辑。生物膜和巨囊泡的多反应行为。30. 剑桥，马萨诸塞州：学术出版社; 2019年。[16] Hadden JA，Perilla JR.全原子病毒模拟。Curr. Opin. Virol. 2018;31：82-91.https://doi.org/10.1016/j.coviro.2018.08.007网站。[17] Matthew R，Likos CN.模型病毒衣壳在细胞内自组装的动力学存在波动膜。 J Phys Chem B 2013;117：8283-92. 网址：http：//doi.org/10.1021/jp4037099[18] Ruiz-Herrero T，Hagan MF.模拟结果表明，膜微区促进了病毒的组装和出芽。Biophys J2015;108：585-95. 网址：//doi. org/10.1016/j.bpj.2014.12.017。[19] [100]SohoraM，MartínezL，PantanoS，Machado MR. 以多尺度分辨率包装病毒 JChem Inf Model 2021;61：408-22. https://doi.org/10.1021/acs。jcim.0c01205。