Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Сколково и Вирджинии сравнили модельные растворы с различным распределением натрия и калия вокруг ДНК с экспериментами. Моделирования с одними вариантами воды повторяли экспериментальные данные лучше других. Результаты исследования помогут точнее моделировать поведение ДНК для разработки различных лекарств.
В течение своей жизни клетка использует записанную в ДНК информацию для синтеза необходимых белков и РНК. В наших клетках ДНК свернута в хромосомы, которые находятся в ядре. Концентрация калия там значительно превышает концентрацию натрия, в отличие от экспериментальных растворов с ДНК. Это может повлиять на результаты экспериментов и отдалить их от реальности.
Ионы, окружающие ДНК, нужны для стабилизации ее структуры в клетке. В отсутствие ионов и воды нити молекулы ДНК могут разъединиться, так как несут на себе большой отрицательный заряд. Благодаря экранированию заряда молекулами воды и ионами нити ДНК не отталкиваются друг от друга.
Кроме того, связывание иона натрия или калия в специфичном кармане между нуклеотидами часто необходимо для правильного функционирования ДНК и РНК. Например, структура из четырех нуклеотидов стабилизируется ионом калия в центре. Этот G-квартет играет важную роль в развитии рака, и воздействие на него может помочь приблизиться к лечению некоторых видов опухолей.
Моделирование методом молекулярной динамики позволяет изучить взаимодействие ионов с ДНК. С помощью него можно вычислять зависимости координат атомов от времени. Так как на скорости движения ионов и атомов ДНК влияют используемая модель воды и параметры ионов, для точного моделирования необходимо подобрать верные параметры составляющих системы.
Авторы исследования сделали симуляции ДНК в растворах с четырьмя наиболее широко применяемыми комбинациями моделей воды и ионов. Ученые вычислили зависимости концентрации ионов натрия и калия от расстояния до оси ДНК (рисунок 2) и сравнили их между собой, а некоторые детали распределений удалось сравнить и с имеющимися экспериментальными результатами.
Оказалось, что при использовании одной из моделей ионы калия связывались с ДНК в специфических сайтах намного лучше, чем в остальных случаях, что соответствует экспериментальным наблюдениям. Но в симуляциях с этой моделью воды ионы натрия притягивались к ДНК в слишком больших количествах.
В итоге была выбрана модель OPC (optimal point charge), которая показала удовлетворительное связывание калия с ДНК и нужное количество сконденсированного на ДНК натрия. Ее можно использовать как компромиссный вариант.
Работа опубликована в журнале Journal of Chemical Theory and Computation.