Erste Simulation einer Mitochondrienmembran in voller Größe

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Wissenschaftler der Universität Groningen haben eine Methode entwickelt, die verschiedene Auflösungsstufen in einer Computersimulation biologischer Membranen kombiniert.

Ihr Algorithmus bildet ein großmaßstäbliches Modell, das Merkmale wie die Membrankrümmung enthält, auf das entsprechende grobkörnige molekulare Modell zurück.

Dies hat es ihnen ermöglicht, die durch Toxine induzierte Membranaussprossung zu vergrößern und eine mitochondriale Lipidmembran in voller Größe zu simulieren.

Ihr Ansatz, der am 8.

Mai in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, öffnet den Weg für Ganzzellsimulationen auf molekularer Ebene.Molekulardynamik-Simulationen sind ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der Bewegungen und Wechselwirkungen von Atomen und Molekülen.

Bei vielen biologischen Prozessen sind jedoch großflächige Veränderungen z.B.

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der Membranform wichtig.

Diese Formänderungen sind von grundlegender Bedeutung für das Funktionieren der Zelle”, erklärt Siewert-Jan Marrink, Professor für Molekulardynamik an der Universität Groningen.

Die Zeit- und Längenskala dieser Membranformänderungen ist jedoch zu groß für Simulationen mit molekularer Auflösung”.Auch wenn eine Erhöhung der Rechenleistung komplexere und längere Simulationen ermöglicht, sind Zellstrukturen wie Mitochondrien immer noch unerreichbar.

Aus diesem Grund hat die Arbeitsgruppe Molekulardynamik einen Algorithmus entwickelt, der großräumige Veränderungen mit Simulationen auf molekularer Ebene verknüpft.

Für die Mitochondrien begannen sie mit einer elektronenmikroskopischen Dichtekarte.

Die Dichten wurden in Lipidstrukturen übersetzt und diese wurden als Input für eine Molekulardynamik-Simulation mit dem Grobkorn (CG) Martini-Kraftfeld verwendet, das zuvor von Marrink entwickelt worden war.”Die Schwierigkeit besteht darin, die Lipide in der richtigen Orientierung in dieser Dichtekarte zu platzieren, was besonders in gekrümmten Bereichen eine Herausforderung darstellt”, fügt Wria Pezeshkian, eine Postdoc-Forscherin in Marrinks Team und Mitautorin der Arbeit, hinzu.

Der Algorithmus erlaubt es den Benutzern, verschiedene Arten von Lipiden zur Membran hinzuzufügen,….

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