Исследование механических свойств белковых комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Кононова, Ольга Геннадиевна

• Кононова, Ольга Геннадиевна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Кононова, Ольга Геннадиевна

Оглавление

Введение

Актуальность темы исследования

Цели и задачи работы

Научная новизна

Теооретическая и практическая значимость работы

Методология и методы исследования

Положения, выносимые на защиту

Соответствие специальности 05.13.18

1 Обзор белковых ассамблей

1.1 Вирус Cowpea Chlorotic Mottle Virus

1.2 Микротрубочки

2 Обзор существующих вычислительных методов для описания механики биомолекул

2.1 Метод конечных элементов, метод нормальных мод, полпоатомпое моделирование молекулярной динамики

2.2 Упрощенные (крупнозернистые) модели

3 Крупнозернистая модель на основе нативной топологии

3.1 Наноиндентирование in silico: обоснование использования крупнозернистого моделирования для описания биомолекулярных ассамблей

3.2 Модель Саморганизующегося Полимера

3.3 Параметризация модели СОП для капсида CCMV

3.4 Параметризация модели СОП для полимера МТ

3.5 Программный пакет SOP-GPU

4 Наноманипулирование in vitro и in silico

4.1 Динамическая силовая спектроскопия на одной частице

4.2 Метод наноиндентирования in silico

5 Биомеханика капсида ССМУ

5.1 Силовое наноиндентироваыие гп вШсо капсида ССМУ

5.2 Механические свойства ССМУ зависят от локальной симметрии

5.3 Термодинамические характеристики процесса индентирования ССМУ

5.4 Механическая реакция капсида в зависимости от геометрии приложенной силы

5.5 Динамика ССМУ в равновесии и вдали от равновесия

5.6 Основные выводы и обсуждение результатов исследования биомеханики ССМУ

О Биомеханика полимера МТ

6.1 Силовое наноиндентирование гп вгНсо полимера МТ

6.2 Структурные переходы в полимере МТ под воздействием внешнего механического напряжения

6.3 Механизм деформации и коллапса МТ

6.4 Термодинамика тубулиновых взаимодействий в полимере МТ

6.5 Определение жесткости при изгибе иротофиламентохз и полимера МТ

6.6 Основные выводы и обсуждение результатов исследования биомеханики МТ

7 Аналитическая модель деформации биологической частицы

7.1 Обоснование разработки аналитической модели

7.2 Определение степеней свободы деформируемой частицы

7.3 Модель Флуктуирующих Нелинейных Пружин

7.4 Применение модели Флуктуирующих Нелинейных Пружин ..-

7.5 Обсуждение полученных результатов

Заключение

Список литературы

102

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механических свойств белковых комплексов»

Введение

Актуальность темы исследования

Большие белковые суирамолскулярпые комплексы обладают уникальными спо-собостями самостоятельно собираться, разбираться, изменять свою форму и выполнять самостоятельное восстанавление под влиянием контролируемого механизма. Эти особенности играют фундаментальную роль в биологии и детальное изучение таких биомолекулярных систем позволяет решить ряд прикладных задач в области биофизических наук.

Одним из наиболее ярких примеров комплексных биомолекулярных структур являются вирусы. Будучи повсеместно распространенными в природе, вирусы представляют собой биологические инфицирующие нанострукутуры, которые, во многих случаях, состоят лишь из нуклеиновой кислоты, упакованной внутри белковой оболочки — капсида. В зависимости от специфики вируса, нуклеиновая кислота может быть ДНК или РНК в форме одной или двух спиралей. Белковая оболочка, содержащая внутри себя нуклеиновую кислоту, может состоять всего лишь из небольшого количества белков, называемых капсидными белками, или же, как бывает в случае некоторых классов вирусов, внешняя часть оболочки может быть покрыта мембраной. Сами по себе вирусы не содержат метаболическоих механизмов, полностью полагаясь на инфицирования клетки "хозяина" и последующую деятельность его метаболических процессов. А это означает, что вся информация о функциях вируса, включая его репликацию и распространение, уже закодированна в небольшом геноме нуклеиновой кислоты вируса.

Главное отличие между животными и растительными вирусами заключается в их механизме; инфицирования. Животные вирусы обычно инфицируют клетки путем привлечения молекулярного распознавания клетки "хозяина". Это происходит благодаря специальному распознавательному событию, включающему в себя выборочное взаимодействием поверхности клетки '"хозяина" с белками вирусного капсида, гли-копротеинамп или липидными компонентами. В отличие от животных растительные вирусы не имеют специального механизма инфицирования клетки "хозяина", осно-

ванного на молекулярном распознавании (Рис. 1). Отсутствия такого специального механизма на основе молекулярного распознавания для попадания в клетку «хозяина» является результатом того, что растительные клетки, в отличие от животных, заключены внутри прочной клеточной стенки и кутикулы, которые сложно преодолеть. Предполагается, что вирусы растительных клеток полагаются на тот факт, что растение может быть повреждено по какой-либо причине, например насекомым, что может способствовать инфицированию. Эти различия в способах инфицирования несомненно приводят к различиями в структурах капсидов, их динамике и механических свойствах. Поэтому понимание процесса вирусного инфицирования требует изучения различных динамических и механических свойств капсидов.

Биомедицинское значение вирусов как инфицирующих агентов очень велико. Они могут найти применение во многих сферах. Действительно, их паноразмеры, умение самостоятельно собираться, а также возможность изменять свои свойства па генетическом уровне, делают вирусные капсиды привлекательным материалом для биотехнологического использования. Например, в наномедицине их можно использовать в качестве переносчиков генетического материала, а также в качестве биотехнологических и индустриальных биореакторов уникальных нанометровых размеров [1]. В связи с этим, изучение динамических, энергетических и биомеханических свойств вирусов и вирусоподобных частиц имеет огромное практическое значение.

Вирусные капсиды обладают двояким свойством: с одной стороны они должны быть прочными, чтобы защищать генетический материал вируса, с другой стороны они должны быть достаточно мягкими, чтобы выпускать геном в клетку хозяина в процессе инфицирования. Эти особенности делают исследование физико-химических и биомеханических свойств этих биологических частиц наиболее значимым. Вирусные оболочки по имеют собственных метаболических механизмов, а это означает, что взаимосвязь между структурой, механическими свойствами и функциональностью этих биологических систем могут быть изучены с помощью равновесной термодинамики и неравновесной статистической механики.

Другой пример биомолекулярных ассамблей — это полимеры микротрубочек (МТ), которые являются главными стержневыми компонентами и важными структурами,

определяющими архитектуру клетки, ее полярность и движение хромосом в процессе деления клетки. МТ стабилизируются посредством продольных и поперечных связей между своими субъединицами — тубулинами (Рис. 2). МТ формируют длинные, прочные, прямые рельсы, которые способствуют нейронной клеточной транспортировке различных молекулярных объектов. Динамика МТ, а именно, их способность подвергаться случайному циклу полимеризации и деполимеризации, играет видную роль во многих клеточных процессах [2, 3]. Тем не менее, до сих пор недостаточно изучена термодинамика поперечных и продольных связей и физические свойства продольных рядов тубулинов, называемых протофиламеигпами МТ.

Теоретические методы сыграли значительную роль в попытке провести соответствия между молекулярными характеристиками тубулинов и наблюдаемыми in vitro свойствами МТ. Например, они улучшили понимание механизма динамики МТ и генерации силы [4-6]. Эти и другие исследования помогли определить главные микроскопические характеристики, которые оказывают большое влияние на поведение МТ. Они включают термодинамические характеристики интерфейсов между двумя смежными тубулинами (энергия поперечных и продольных связей) и изгибную жесткость индивидуальных тубулиновых протофиламентов. На данный момент эти свойства не были измерены непосредственно в экспериментах, поэтому, в основном, они были оценены с использованием различных теоретических моделей. Эта ситуация частично может объяснить, почему фактически каждый аспект термодинамики МТ до сих пор являтся спорным, включая и расчптанные значения перечисленных выше характеристик.

Одним из экспериментальных способов изучения больших белковых комплексов, является их наноиндснтирование методом атомно-силовой микроскопии (АСМ; англ. Atomic Force Microscopy, AFM) [7]. Схематичное (идеализированное) изображение силовой спектроскопии на основе АСМ частицы вируса представлено на Рис. 3. Несмотря на то, что эта технология обладает достаточно высоким уровнем разрешения, она при этом имеет некоторые недостатки: 1) невозможно определить точное положение молекулы, которая подвергается наноиндентированию; 2) отсутствует четкое изображение объекта после деформации зондом АСМ; 3) в результате этого невозможно

определить энергетические характеристики, относящиейся к конкретным событиям в процессе напоипдентирования. Тем не менее, эти свойства, в принципе, могут быть получены из in vitro экспериментов по силовой спектроскопии на основе АСМ [7, 8], так как силовое сдавливание биологической частицы деформирует структуру и, со-отвественно, разрывает нековалентные белок-белковые связи. Однако, на практике, в следствие сложной модульной структуры биомолекулярных комплексов (Рис. 1, 2), молекулярная интерпретация экспериментальных спектров силы-деформации на шкале длины порядка нанометра практически невозможна.

Несмотря на то, что эксперименты по АСМ превосходно показали разнообразие механических свойств биологических частиц, до сих пор остается множество вопросов, на которые сложно ответить без какого-либо теоретического моделирования. Например, почему начальный интервал FX спектров имеет слабую нелинейность? Почему спектры FX демонстрируют крутое падение; силы деформации для одних частиц и более пологое для других? Что определяет механический предел прочности частицы - критическую силу и критическую деформацию? Почему спектры FX для одной и той же частицы меняются от измерения к измерению? Это указывает на стохастическую природу перехода в состояние коллапса, но что определяется вероятность структурного коллапса при заданной приложенной силе? Какие типы механических возбуждений ведут к деформации и коллапсу частицы?

В данной диссертации предлагается многоуровневый подход моделирования, который мы назвали "наноиндентирование in silico". Данный метод позволяет исследовать биомеханику биомолекулярных частиц на компьютере. Метод совмещает в себе моделирование Молекулярной Динамики (МД) атомарной структур биомолекуляр-пых частиц, доступных в Базе Данных Белковых Структур (англ. Protein Data Base, PDB), а также моделирование Динамики Ланжевена их крупнозернистых моделей на основе нативной топологии. Это крупнозернистое моделирование основано на так называемой модели Самоорганизующегося Полимера, СОП (англ. Self-Organized Polymer Model, SOP) [9, 10], которая широко используется многими исследовательскими группами, чтобы описывать физико-химические и биомеханические свойства биомолекул [11-20]. Как будет показано, этот уникальный "эксперимент" in silico

предоставляет детальное отображение всего процесса деформации биомолекулы путем силового сдавливания, которое можно сравнивать с результатами АСМ эксперимента и использовать в качестве дополнения к ним. Такое моделирование можно применять для углубленного изучения процессов возникновения механической "усталости" в белковых ассамблеях и их структурных коллапсов, которые сложно объяснить с помотцыо современных экспериментальных методов. В данной диссертации показывается применение указанного подхода наноиндентирования in silico на примере исследования биомеханических свойств вирусного капсида Cowpea Chlorotic Mottle virus (CCMV) и полимера микротрубочки (МТ).

Более того, мы сделали еще один шаг вперед и разработали аналитическую модель, способную качественно интерпретировать спектральные линии силы-деформации, получаемые с помощью экспериментов по АСМ. Паша теория связывает наклон, критическую силу, критическую деформацию FX кривых с физическими характеристиками структуры, геометрией и общей формой частицы и индеитора. Мы определили типы механического возбуждения (степени свободы), которые вносят вклад в деформацию частицы (глубину иидеитирования) X, проанализировав изменения структуры и потенциальной энергии в частице CCMV, используя метод наноиндентирования in silico. В данной работе мы предлагаем новую аналитическую модель Флуктуируюищх Нелинешшх Пружин для описания экспериментальных кривых силы-деформации, примененную к результатам для частицы CCMV [21], а также некоторых других вирусов (Triatoma virus [22] и Adenovirus [23]). Эти экспериментальные результаты были предоставлены нам лабораторией проф. Хайста Дж. JI. Вауте (Prof. Gijs J. L. Wuite) и проф. Ваутера X. Рооса (Prof. Wouter Н. Roos) из Университета Амстердама (Голландия).

Цели и задачи работы

Целью данной работы является а) разработка вычислительной методологии, позволяющей исследовать механические свойства больших белковых ассамблей, и Ь) ее применение к исследованию биофизических свойств вирусных капсидов и полимеров микротрубочек; а также для с) создания аналитической модели деформации

больших белковых систем для интерпретации результатов экспериментов по силовой спектроскопии.

Задачи работы:

1. Разработка численного подхода наноинденирования in silico, основанного на многоуровневом молекулярном моделировании, который будет являться компь-терным аналогом эксперимента по атомно-силовой микроскопии, проводимом на одиночных молекулах. Данный подход будет являться дополнением к существующему пакету SOP-GPU (см. Раздел 3.5), использующего ускорение графических процессоров для выполнения моделирования больших белковых структур.

2. Применение разработанной методологии для проведения эксперимента по in silico наноиндентированию вирусного капсида CCMV, сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, предоставленными лабораторией проф. Хайста Дж. JI. Вауте и проф. Ваутера X. Рооса.

3. На основе результатов, полученных в ходе численного эксперимента по наноиндентированию капсида CCMV и согласованных с экспериментальными данными, сделать детальное описание биомеханики вирусного капсида, подверженного внешней силовой нагрузке, а также определить структурные и термодинамические характеристики данного процесса, которые невозможно получить из эксперимента in vitro.

4. Применить методологию многоуровневого моделирования и наноиндентирова-ния in silico к полимеру МТ и для деформации одного протофиламента МТ разной длины. Полученные результаты сравнить с рапсе опубликованными данными [8, 24].

5. Результаты, полученные из эксперимента по численному моделированию силового наноиндентировапия полимера Л IT и деформации протофиламента, из-пользовать для разрешения структурных переходов, возникающих в МТ под воздействием внешней механической силы, а также для определения термоди-

намических характеристик тубулииовых интерфейсов в МТ и жесткости при изгибе одного протофиламента.

6. Использовать результаты силового наноиндентирования т зШсо для проведения детального структурного анализа капсида ССМУ и полимера МТ, подверженных внешнему механическому воздействию, чтобы определить основные степени свободы, которые вносят вклад в динамику деформации белковых ассамблей с регулярной геометрией (сфера, цилиндр). Разработать теоретическую модель для описания обнаруженных степеней свободы.

7. Основываясь на проведенном анализе, разработать и реализовать аналитическую модель, способную описывать механический ответ системы на внешнюю сдавливающую деформацию, а также определять наиболее важные механические характеристики биомолекул и предсказывать предел их прочности.

8. Разработанную модель применить для описания спектров силы-деформации для различных вирусных капсидов, полученных экспериментально лабораторией проф. Хайста Дж. Л. Вауте и проф. Ваутера X. Рооса. Определить механических характеристики этих систем, сравнить с опубликованными ранее результатами.

Научная новизна

Новые современные эксперименты позволяют широко исследовать уникальные физические свойства биологических ассамблей, включая вирусы, вирусоподобные частицы, бактериофаги и полимеры МТ [7, 25-28]. Несмотря на это, из-за сложности организации и больших размеров этих систем, эти эксперименты предоставили большое количество данных, которые почти невозможно корректно интерпретировать без какой-либо начальной информации о ландшафтах энергии [29]. Чтобы преодолеть эту проблему, мы разработали новый подход наноиндентирования т вШсо, который совмещает многомасштабное моделирование (полноатомнос моделирование молекулярной динамики и крупнозернистое моделирование динамики Ланжевена) и высокопроизводительные вычисления (ускоренные на графических процессорах),

чтобы исследовать физико-химические свойства и биомеханику капсида ССМУ и МТ. В отличие от предыдущих попыток моделирования, которые были основаны на удобных вычислительных методах, мы сможем провести моделирования больших биологических систем, состоящих из ~104 —105 аминокислот, на экспериментальной шкале времени 30—60 мс. Таким образом, вычислительный метод, предложенный в данной диссертации, будет представлять собой надежный инструмент для численного исследования комплексных биологических ассамблей.

Наш подход напоипдептировапия гп вйгсо в составе программного пакета ЗОР-СРи позволяет отобразить ландшафт свободной энергии, лежащий в основе деформации вирусного капсида/МТ. Эту информацию невозможно получить из экспериментов и других вычислительных методов. Преимущество данного подхода состоит в том, что он позволяет исследовать динамику интересуемой биологической частицы за пределами режима равновесия и упругих деформаций в режиме перехода в состояние коллапса, где происходят глобальные изменения формы системы. Таким образом, данная методология наноиндентирования т вШсо дает нам возможность генерировать теоретически полный спектр силы-смещения, который содержит всю информацию о механических свойствах рассматриваемой системы. Насколько нам известно, ни один из существующих методов [30-35] не обладает такой возможностью. Сравнение экспериментов и моделирования позволяет впервые соотнести динамические структурные особенности вирусного капсида/МТ в режиме их переходов в состояние коллапса с их биомеханикой на нанометровой шкале.

На сегодняшний день остается невозможным определение энергий межтубулино-вых связей и жесткости при изгибе протофиламентов МТ, используя только экспериментальные 'подходы. Абсолютные значения энергий поперечных и продольных взаимодействий до сих пор неизвестны, а опубликованные оценки энергий диссоциации поперечных и продольных связей и изгибной жесткости тубулинового про-тофиламепта варьируются в пределах порядка величины [36-40]. Мы определили энергии поперечных/продольных взаимодействий, используя моделирования деформаций под действием внешней силы, а также релаксацию системы при движении зонда кантилевра в обратном направлении, для оценки обратимой работы. Мы так-

же определили изгибную жесткость протофиламентов, имеющих размер 8—24 ту-булиновых димеров в длину, используя моделирование деформации изгибания. Это дало нам возможность предложить механистическое понимание процесса формирования и диссоциации тубулиновых связей внутри МТ, а также установить важные термодинамические ограничения на теоретические модели динамики МТ.

Тсооретическая и практическая значимость работы

Вирусные капсиды имеют потенциальное применение во многих сферах. В на-номедиципе они могут служить в качестве поставщиков генов или медикаментов, а также играть роль наноразмерных биореакторов в биотехнологиях. Поэтому понимание детальной динамики, энергетики и биомеханических свойств вируснах частиц представляет большой научный интерес. Механистическое понимание тех структурных изменений, которые определяют биомеханическую реакцию вирусного капсида ССМУ на внешнюю сдавливающую силу в процессе паноиндентирования позволит нам также предсказать ответную реакцию системы на внешнее силовое воздействие и соответствующие ландшафты свободной энергии для других вирусов и вирусоподобных нанокомпартментов, имеющих икосаэдральную симметрию. Новое понимание динамики и физических свойств капсида ССМУ поможет сформулировать основные концепции рационального дизайна и проектирования нанореакторов и нанокомпартментов на основе различных белковых оболочек.

Сложность структуры МТ препятствует использованию традиционных кинетических и термодинамических экспериментальных подходов для непосредственного измерения ландшафтов свободной энергии связей между их составными компонентами тубулинами. Физические свойства индивидуальных тубулиновых протофиламентов также не были до сих пор определены из-за отмеченной выше хрупкости их важных промежуточных структур в процессе разборки. Несмотря па то, что взаимодействия между тубулинами являлись предметом многих исследований, на данный момент не существует устоявшегося соглашения относительно значений энергий связей между тубулинами, а также изгибной жесткости тубулипового протофиламепта. В процессе разборки МТ поперечные связи рвутся раньше продольных [41]. Это и

другие наблюдения предполагают, что продольные связи между тубулипами прочнее чем поперечные [42], но абсолютные значения энергий их взаимодействия неизвестны. Форма профилей энергий и даже геометрия и количество участков связывания в моделях МТ до сих пор являются спорными [36-39, 43]. Опубликованные ранее оценки изгибпой жесткости протофиламента МТ также варьируются в пределах порядка величины [40]. Величину изгибной жесткости протофиламента важно знать потому, что эти значения имеют непосредственное применение в механизме генерации силы в процессе деполимеризации МТ. Углубленное биофизическое понимание этих биологических функций было затрудненно ввиду отсутствия точной качественной информации о прочности взаимодействий между тубулинами и жесткости при изгибе протофиламента МТ.

Результаты, полученные с помощью моделирования процесса наноиндентирова-ния для систем вирусного капсида и МТ будут применены для разработки аналитически простой физической модели, которая позволит описывать деформацию, уплощение (нрогиб) и переход в состояние структурного коллапса в биологических частицах, обладающих регулярной геометрией, например, сфера (вирусы и бактериальные нанокомпартменты) или цилиндр (МТ, некоторые вирусы). На данный момент существует большое количество экспериментальных спектров силы-деформации (.РX) для различных систем, которые требуют смысловой интерпретации. При этом, не существует моделей, способных полноценно описывать эти результаты, что ограничивает количество информации, которую можно получить из экспериментальных и теоретических спектральных кривых. Основные характеристики, которые можно определелить из имеющихся УХ спектров это коэффициент жесткости и модуль Юнга. Однако, наши результаты, полученные для оболочки ССМУ, показали, что коэффициент жесткости капсида меняется с изменением глубины иидептировапия, являясь функцией, зависящей от упругих свойств системы и от размера и геометрии иидептора (зонда каптилевра). Намного больше информации может быть получено из анализа формы спектра. Например, пик силы, который соответствует пределу механической прочности, можно связать с функцией распределения вероятностей силы разрыва/разлома, что в свою очередь зависит от прочности/природы белок-

белковых взаимодействий между различными структурными субъсдиницами (кан-сомерами, мономерами и димерами тубулинов). Кроме того, поведение РХ кривых в окрестности точки перехода в состояние коллапса, а именно, наклон падение силы, может характеризовать механическую природу рассматриваемой системы, будет ли она поддаваться внешней нагрузке или сразу ломаться. Таким образом, в данной работе показано, что существует прямое соответствие между экспериментально наблюдаемыми величинами и внутренними биомеханическими свойствами системы. Модель, которую мы разработали, позволяет связать наблюдаемые (макроскопические) величины с микроскопическими структурными и геометрическими характеристиками. Эта модель также позволяет исследователям описывать форму спектров силы-деформации, полученных из экспериментов по силовой спектроскопии на отдельных биологических частицах

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовалась методология математического и численного моделирования. Вычислительные эксперименты проводились с применением высокопроизводительных вычислений, а анализ их результатов — при помощи методов механики сплошных сред и математической статистики.

Положения, выносимые на защиту

Положения, выносимые па защиту отраженны в основных результатах работы, приведенных в конце автореферата.

Соответствие специальности 05.13.18

Работа содержит все необходимые компоненты специальности 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы програм:

1. Математическое моделирование: Разработана аналитическая физическая модель деформации сферической белковой оболочки под действием внешней механической силы.

2. Численные методы: Разработаны численные процедуры расчета движения сферического индентора и его взаимодействия с биомолекулой с использованием гибридной архитектуры (центральных процессоров {-графических сопроцессоров).

3. Комплексы программ: Разработаны новые вычислительные модули для расчета механических характеристик белковых оболочек, которые используются в пакете программ БОР-вРи (см. Раздел 3.5).

1 Обзор белковых ассамблей

1.1 Вирус Cowpea Chlorotic Mottle Virus

Вирус Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV) принадлежит семейству Bromoviridae — это одно из наиболее важных семейств растительных вирусов с одноцепочной РНК, широко распростраииепое по всему миру. Представители этого семейства могут инфицировать широкий диапазон клеток и являются причиной некоторых значительных эпидемии сельхозкультур [44]. Семейство Bromoviridae состоит из большого числа различных представителей вирусов, среди которых CCMV, вероятно, является наиболее хорошо изученным (Рис. 1) [45[. Биофизические и биомеханические свойства этого вируса являются объектом исследований уже свыше 35 лет. Более того, это был первый вирус, полученный in vitro путем "самосборки" (англ. self-assembling) из своих составляющих капсидных белков и молекул PIIK. Четыре различные одно-цепоченые РНК молекулы составляют вирусный геном; они упакованы с помощью 180 одинаковых капсидных белков. Капсидные белки (масса каждого 19.5 кДа, что составляет 190 аминокислот) самостоятельно собираются (ассемблируют) в структуры, состоящие из 12 пентамеров и 20 гексамеров, которые затем формируют икоса-эдральный вирусный капсид с триангуляционным числом Т=3 [46], диаметром 28.6 нм и толщиной 2.8 нм [28, 45]. Оболочка состоит из 60 тримерных структурных единиц и обладает пентамерной симметрией в 12 вершинах (пентамерные капсомеры) и гексамерной симметрией на 20 гранях (гексамерные каспомеры) (Рис. 1).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кононова, Ольга Геннадиевна, 2015 год

Список литературы

[1] М. Fischlechner and Е. Donath. Viruses as building blocks for materials and devices. An,yew. Chem. Int. Ed. Engl., 46:3184-3193, 2007.

[2] H. de Forges, A. Bouissou, and F. Perez. Interplay between microtubule dynamics and intracellular organization. Int. J. Biochem. Cell Biol., 44(2):266-274, 2012.

[3] A. Desai and T.J. Mitchison. Microtubule polymerization dynamics. Annu. Rev. Cell Dev. Biol, 13(1):83—117, 1997.

[4] E.L. Grishchuk, J.R. Mcintosh, M.I. Molodtsov, and F.I. Ataullakhanov. Force generation by dynamic microtubule polymers. Comprehensive Biophys., 4:93-117, 2012.

[5] V. VanBuren, L. Cassimeris, and D.J. Odde. Meclianochemical model of microtubule structure and self-assembly kinetics. Biophys. J., 89(5):2911-2926, 2005.

[6| H. Bowne-Anderson, M. Zanic, M. Kaucr, and J. Howard. Microtubule dynamic instability: a new model with coupled gtp hydrolysis and multistep catastrophe. Bioessays., 35(5):452-461, 2013.

[7] W. H. Roos, I. I. Ivanovska, A. Evilevitch, and G. J. L. Wuite. Viral capsids: Mechanical characteristics, genome packaging and delivery mechanisms. Cell Mol. Life Sci., 64:1484-1497, 2007.

[8] I. A. T. Schaap, C. Carrasco, P. J. de Pablo, F. C. MacKintosh, and C. F. Schmidt. Elastic response, buckling, and instability of microtubules under radial indentation. Biophys. ./., 91:1521-1531, 2000.

[9] C. Hyeon, R. I. Dima, and D. Thirumalai. Pathways and kinetic barriers in mechanical unfolding and refolding of RNA and proteins. Structure, 14(11):1G33 1645, 2006.

[10] M. Mickler, R. I. Dima, H. Dietz, C. Hycon, D. Thirumalai, and M. Ricf. Revealing the bifurcation in the unfolding pathways of GFP using single molecule experiments and simulations. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104(51):20268-20273, 2007.

[11] J. Lin, C. Hyeon, arid D. Thirumalai. Relative stability of helices determines the folding landscape of adenine riboswitch aptamers. J. Am. Chem. Soc., 130:14080-14084, 2008.

[12] Z. Zhang and D. Thirumalai. Dissccting the kinematics of the kincsin step. Structure. 20:628-640, 2012.

[13] C. Hycon and J. N. Onuchic. Mechanical control of the directional stepping dynamics of the kinesin motor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104:17382-17387, 2007.

[14] A. Zhmurov, A. E. X. Brown, R. I. Litvinov, R. I. Dima, J. W. Weisel, and V. Barsegov. Mechanism of fibrin(ogen) forced unfolding. Structure, 19(11):1615-1624, 2011.

[15] O. Kononova, J. Snijder, M. Brasch, J. Cornclisscn, R. I. Dima, K. A. Marx, G. J. L. Wuite, W. H. Roos, and V. Barsegov. Structural transitions and energy landscape for cowpca chlorotic mottle virus capsid mechanics from nanomanipulation in vitro and in silica. Biophys. J.. 105(8):1893-1903. 2013.

[16] О. Г. Кононова and А.А. Жмуров. Исследование микромеханических свойств вирусных кап-

сид методами молекулярной динамики на графических процессорах. In Труды 54-й научной конференции МФТИ: Всероссийской научной конференции "Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном, обществе ". Управление и прикладная лгатематика., volume 2, pages 29-30, Долгопрудный, 2011.

[17] О. Kononova, L. Jones, and V. Barsegov. Order statistics inference for describing topological coupling and mechanical symmetry breaking in iriultidomain proteins. J. Chem. Phys., 139(12):121913, 2013.

[18] 0. Kononova, Y. Kholodov, К. E. Theiscn, K. A. Marx, R. I. Dima, F. I. Ataullakhanov, E. L. Grishchuk, and V. Barsegov. Tubulin bond energies and microtubule biomechanics determined from nanoindentation in silico. ,J. Am,. Chem,. Soc., 136(49):17036-17045, 2014.

[19] 0. Kononova, Y. Kholodov, К. E. Theisen, K. A. Marx, R. I. Dima, F. I. Ataullakhanov, E. L. Grishchuk, and V. Barsegov. Tubulin bond energies and microtubule biomechanics determined from nanoindentation in silico. J. Biomol. Struct. Dyn., 33:35-36, 2015.

[20] O. Kononova and V. Barsegov. Mechanical properties of microtubules from nanoindentation experiments in silico. In Computational and theoretical modeling of biom,olecular interactions, pages 92-93, Dubna, Russia, 2013.

[21] J. Snijder, I, L. Ivanovska, M. Baclayon, W. II. Roos, and G. J. L. Wuite. Probing the impact of loading rate on the mechanical properties of viral nanoparticles. Micron, 43:1343 1350, 2012.

[22] J. Snijder, C. Uetrecht, R. Rose, R. Sanchez, G. Marti, J. Agirre, D. M. Guerin, G. J. L. Wuite, A. J. R. Ileck, and W. H. Roos. Probing the biophysical interplay between a viral genome and its capsid. Nat. Chem., 5:502-509, 2013.

[23] J. Snijder, V. S. Reddy, E. R. May, W. H. Roos, G. R. Nemerow, and G. J. L. Wuite. Integrin and defensin modulate the mechanical properties of adenovirus. J. Virol., 87:2756, 2013.

[24] P. J. de Pablo, I. A. T. Schaap, F. C. MacKintosli, and C. F. Schmidt. Deformation and collapse of microtubules on the nanometer scale. Phys. Rev. Lett., 91:098101 098104, 2003.

[25] I. L. Ivanovska, P. J. de Pablo, B. Ibarra, G. Sgalari, F. C. MacKintosh, J. L. Carrascosa, C. F. Schmidt, and G. J. L. Wuite. Bacteriophage capsids: Tough nanoshells with complex elastic properties. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101(20):7600~7605, 2004.

[26] I. Ivanovska, G. J. L. Wuite, B. Jonsson, and Alex Evilevitch. Internal dna pressure modifies stability of wt phage. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104(23):9603-9G08, 2007.

[27| M. Sutter, D. Boehringer, S. Gutmann, S. Giinther. D. Prangislivili, M. J. Loessner, К. O. Stetter, E. Weber-Ban, and N. Ban. Structural basis of enzyme encapsulation into a bacterial nanocompartineiit. Nature Struct, and Mol. Biol, 15:939-947, 2008.

[28] W. II. Roos, R. Bruinsma, and G. J. L. Wuite. Physical virology. Nat. Phys., 6:733-743, 2010.

[29] J. W. Weisel. Enigmas of blood clot elasticity. Science. 320(5875):456-457, 2008.

[30] М- M. Gibbons and W. S. King. Influence of nonuniform geometry on nanoindentation of viral capsids. Biophys. J., 95:3640-3649, 2008.

[31] M. Zink and H. Grubmuller. Primary changos of the mechanical properties of southern bean mosaic virus upon calcium removal. Biophys. J., 98:687-695, 2010.

[32] F. Tama and C. L. Brooks, 3rd. Diversity and identity of mechanical properties of icosahedral viral capsids studied with clastic network normal mode analysis. J. Mol. Biol., 345:299-314, 2005.

[33] Z. Yang, I. Bahar, and M. Widoin. Vibrational dynamics of icosahedrally symmetric biomolccular assemblies compared with predictions based on continuum elasticity. Biophys. J., 96:4438-4448, 2009.

[34] E. R. May, A. Aggarwal, W. S. Klug, and C. L. Brooks, 3rd. Viral capsid equilibrium dynamics reveals nonuniform elastic properties. Biophys. ,/., 100:L59-L61, 2011.

[35] A. Arkhipov, W. H. Roos, G. J. L. Wuite, and K. Schulten K. Elucidating the mechanism behind irreversible deformation of viral capsids. Biophys. J., 97:2061-2069, 2009.

[36] V. VanBurcn, D. J. Odde, and L. Cassimeris. Estimates of lateral and longitudinal bond energies within the microtubule lattice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99:6035-6040, 2002.

[37] Z. Wu, E. Nogales, and J. Xing. Comparative studies of microtubule mechanics with two competing models suggest functional roles of alternative tubulin lateral interactions. Biophys. J., 102(12):2687-2696, 2012.

[38] Z. Wu, H.-W. Wang, W. Mu, Z. Ouyang, E. Nogales, and J. Xing. Simulations of tubulin sheet polymers as possible structural intermediates in microtubule assembly. PLoS One, 4(10):e7291, 2009.

[39] A. Efrcmov, E.L. Grishchuk, J.R. Mcintosh, and F.I. Ataullakhanov. In search of an optimal ring to couple microtubule depolymerization to processive chromosome motions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104(48): 19017-19022, 2007.

[40] C.L. Asbury, J.F. Tien, and T.N. Davis. Kinetochores' gripping feat: conformational wave or biased diffusion? Trends Cell Biol., 21(l):38-46, 2011.

[41] E.-M. Mandclkow, E. Mandelkow, and R.A. Milligan. Microtubule dynamics and microtubule caps: a time-resolved cryo-electron microscopy study. J. Cell Biol., 114(5):977-991, 1991.

[42] S.A. Sánchez, J.E. Brunct, D.M. Jameson, R. Lagos, and O. Monasterio. Tubulin equilibrium unfolding followed by time-resolved fluorescence and fluorescence correlation spectroscopy. Prot. Sci., 13(1):S1—88, 2004.

[43] M.I. Molodtsov, E.A. Errnakova, E.E. Slmol, E.L. Grishchuk, J.R. Mcintosh, and F.I. Ataullakhanov. A molecular-mechanical model of the microtubule. Biophys. J., 88(5):3167-3179, 2005.

[44] S. W. Scott. Bromoviridae and allies. In Encyclopedia of Life Sciences. John Wiley and Sons, Chichester, 2006.

[45] J. A. Speir, S. Munshi, G. Wang, T. S. Baker, and J. E. Johnson. Structures of the native and swollen forms of cowpea chlorotic mottle virus determined by x-ray crystallography and cryo-electron microscopy. Structure, 3:63-78, 1995.

D. L. D. Caspar and A. Klug. Physical principles in the construction of regular viruses. In Cold Spring Ilarb. Symp. Quant. Biol., volume 27, pages 1-24, 1962.

J. W. Roenhorst, J. W. M. van Lent, and B. ,T. M. Vcrduin. Binding of cowpea chlorotic mottle virus to cowpea protoplasts and relation of binding to virus entry and infection. Virology, 164:91-98, 1988.

J. R. Milne and G. H. Walter. The coincidence of thrips and dispersed pollen in PNRSV-infected stonefruit orchards: a precondition for thrips-mediatcd transmission via infected pollen. Annals Appl. Biol., 142:291-298, 2003.

E. Nogales, M. Whittaker, R.A. Milligan, and K.H. Downing. High-resolution model of the microtubule. Cell, 96(1):79 88, 1999.

D. Valdman, P.J. Atzberger, D. Yu, S. Kuei, and M.T. Valentine. Spectral analysis methods for the robust measurement of the flexural rigidity of biopolymers. Biophys. J., 102(5):1144-1153, 2012. M. Dogterom and T. Surrey. Microtubule organization in vitro. Curr. Opin. Struct. Biol., 25(1):23-29, 2013.

C.E. Walczak, S. Cai, and A. Khodjakov. Mechanisms of chromosome behaviour during mitosis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol, 11(2):91-102, 2010.

S.F. Bakhoum and D.A. Compton. Kinetochores and disease: keeping microtubule dynamics in check! Curr. Opin. Cell Biol, 24(l):64-70, 2012.

J.R. Mcintosh, V. Volkov, F.I. Ataullakhanov, and E.L. Grishchuk. Tubulin depolymerization may be an ancient biological motor. J. Cell Sci., 123(20):3425-3434, 2010.

A.P. Joglekar, K.S. Bloom, and E.D. Salmon. Mechanisms of force generation by end-on kinetochorc-microtubule attachments. Curr. Opin. Cell Biol., 22(l):57-67, 2010. R.B. Nicklas. Measurements of the force produced by the mitotic spindle in anaphase. J. Cell Biol., 97(2):542-548, 1983.

V.A. Volkov, A.V. Zaytscv, N. Gudimchuk, P.M. Grissoin, A.L. Gintsburg, F.I. Ataullakhanov, J.R. Mcintosh, and E.L. Grishchuk. Long tethers provide high-forcc coupling of the Daml ring to shortening microtubules. Proc.. Natl. Acad. Sci. USA, 110(19):7708-7713, 2013. W. S. Klug, W. H. Roos, and G. J. L. Wuite. Unlocking internal prestress from protein nanoshclls. Phys. Rev. Lett., 109:68104, 2012.

M. Zink and II. Grubmuller. Mechanical properties of the icosahedral shell of southern bean mosaic virus: A Molecular Dynamics study. Biophys. J.. 96:1350-1363, 2009.

Andrea Grafmiiller and Gregory A. Voth. Intrinsic bending of microtubule protofilaments. Structure, 19(3):409-417, 2011.

F. Tama and C. L. Brooks, 3rd. The mechanism and pathway of ph induced swelling in cowpea chlorotic mottle virus. J. Mol Biol, 318:733 747. 2002.

A. J. Rader, D. H. Vlad, and I. Bahar. Maturation dynamics of bacteriophage hk97 capsid. Structure, 13:413-421, 2005.

[63] M. I. Molodtsov, E. L. Grishchuk, A. K. Efrcmov, J. R. Mcintosh, and F. I. Ataullakhanov. Force production by depolymerizing microtubules: A theoretical study. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102:4353-4358, 2005

[64] A. Arkhipov, P. L. Freddolino, and K. Schulten. Stability and dynamics of virus capsids described by eoarse-graincd modeling. Structure, 14:1767-1777, 2006.

[65] M. Cieplak and M. O. Robbins. Nanoindentation of virus capsids in a molecular model. J. Chem. Phys., 132:015101, 2010.

[66] R. I. Dima and II. Joshi. Probing the oiigin of tubulin rigidity with molecular simulations. Proc. Natl. Acad. Set. USA. 105(41):15743-15748, 2008.

[67] A. Zhmurov, R. I. Dima, Y. Kholodov, and V. Barsegov. SOP-GPU: Accelerating biornoleculai simulations in the centisecond tiinescale using graphics processors. Proteins. 78(14):2984-2999, 2010.

[68] A. Zhmurov, K. Rybnikov, Y. Kholodov, and V. Barsegov. Generation of random numbers on graphics processors: Forced indentation in silico of the bacteriophage HK97. J. Phys. Chem. B, 115(18):5278-5288, 2011.

[69] V. Barsegov, D. Klimov, and D. Thirumalai. Mapping the energy landscape of hiomolecules using single molecule force correlation spectroscopy: Theoiy and applications. Biophys. J., 90:3827-3841, 2006.

[70] P. Fcrrara, J. Apostolakis, and A. Caflisch. Evaluation of a fast implicit solvent model for molecular dynamics simulations. Proteins. 46(l):24-33, 2002.

[71] A. D. MacKercll, Jr., D. Bashford, M. Bcllott, R. L. Dunbrack, Jr., J. D. Evanseck, M. J. Field, S. Fischer, J. Gao, II. Guo, S. Ha, D. Joseph-McCarthy, L. Kuchnir, K. Kuczera, F. T. K. Lau, C. Mattos, S. Michnick, T. Ngo, D. T. Nguyen, B. Prodhom, W. E. Rcihcr, III, B. Roux, M. Schlenkrich. J. C. Smith, R. Stote, J. Straub, M. Watanabe, J. Wiorkicwicz-Kuczera, D. Yin, and M. Kaiplus. All-atoin empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins. J. Phys. Chem. B, 102(18):3586-3616. 1998.

[72] A. Zhmurov, 0. Kononova, R. I. Litvinov, R. I. Dima, V. Barsegov, and J. W. Weisel. Mechanical transition from o-hclical coiled coils to /3-sheets in fibrin(ogen). ,/. Am. Chem. Soc., 134(50):20396-20402, 2012.

[73] C. D. Hawkins. C. J. Cramer, and D. G. Truhlar. Parametrized models of aqueous free energies of solvation based on pairwise descreening of solute atomic charges from a dielectric medium. J. Phys. Chem.s. 100:19824-19839, 1996.

[74] S. Kasas and G Dietler. Probing nanomechanical properties from biomolecules to living cells. Pflugers Arch.. 456(1):13 27. 2008.

[75] A. Engel and D. J. Muller. Observing single biomoleculcs at work with the atomic force micioscope. Nat. Struct. Biol. 7:715-718. 2000.

[76] W. H. Roos, I. Gertsman, E R. May. C. L. Brooks III, J. E. Johnson, and G. J. L. Wuite. Mechanics

of bacteriophage maturation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109(7):2342-2347, 2012.

[77] N. Kol, Y. Shi, M. Tsvitov, D. Barlam, R. Z. Shneck, M. S. Kay, and I. Rousso. A stiffness switch in human immunodeficiency virus. Biophys. J., 92(5):1777 1783, 2007.

[78] M. Baclayon, G. K. Shoemaker, C. Uetrecht, S. E. Crawford, M. K. Estes, B. V. Verikataram Prasad, A. J. R. Heck, G. J. L. Wuite, and W. H. Roos. Prestress strengthens the shell of norwalk virus nanoparticlcs. Nano Lett., ll(ll):4865-4869, 2011.

[79] I. Liashkovich, W. Hafezi, J. E. Kiihn, II. Oberleithner, A. Kramer, and V. Shahin. Exceptional mechanical and structural stability of hsv-1 unveiled with fluid atomic force microscopy. J. Cell Sci., 121:2287-2292, 2008.

[80] A. J. Perez-Berna, A. Ortega-Esteban, R. Menendez-Conejero, D. C. Winkler, M. Menendez, A. C. Steven, S. J. Flint, P. J. de Pablo, and C. San Martin. The role of capsid maturation on adenovirus priming for sequential uncoating. J. Biol. Chcm., 287:31582-31595, 2012.

[81] W. H. Roos, K. Radtke, E. Kniesmeijer, H. Geertscma, B. Sodeik, and G. J. L. Wuite. Scaffold expulsion and genome packaging trigger stabilization of herpes simplex virus capsid. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106:9673-9678, 2009.

[82] W. H. Roos, M. M. Gibbons, A. Arkhipov, C. Uetrecht, N. R, Watts, P. T. Wingfield, A. C. Steven, A. J. R. Hcck, K. Schulten, W. S. King, and G. J. L. Wuite. Squeezing protein shells: how continuum elastic models, molecular dynamics simulation and experiments coalesce at the nanoscalc. Biophys. J., 99:1175-1181, 2010.

[83] J. P. Michel, I. L. Ivanovska, M. M. Gibbons, W. S. Klug, C. M. Knobler, G. J. L. Wuite, and C- F. Schmidt. Nanoindentation studies of full and empty viral capsids and the effects of capsid protein mutations on elasticity and strength. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103:6184-6189, 2006.

[84] C. Carrasco, A. Carreira, I. A. T. Schaap, P. A. Serena, J. Gomcz-Herrero, M. G. Mateu, and P. J. de Pablo. Dna-rnediated anisotropic mechanical reinforcement of a virus. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103:13706-13711, 2006.

[85] Ignasi Bucli, S. Kashif Sadiq, and Gianni De Fabritiis. Optimized potential of mean force calculations for standard binding free energies. ,J. Chcm. Theory Comput., 3:1765-1772, 2011.

[86] Shankar Kumar, John M. Rosenberg, Djamal Bouzida, Robert H. Swendsen, and Peter A. Kollman. The weighted histogram analysis method for free-energy calculations on biomolecules. i. the method. J. Comput. Chem., 13:1011-1021, 1992.

[ST] O. Kononova, R. I. Litvinov, A. Zhmurov, A. Alekseenko, C. H. Cheng, S. Agarwal, I<. A. Marx, J. W. Weisel, and V. Barsegov. Molecular mechanisms, thermodynamics, and dissociation kinetics of knob-hole interactions in fibrin. J. Biol. Chem.. 288(31):22681-22692, 2013.

[88] S.Hayward and B. L. de Groot. Normal modes and essential dynamics. Methods Mol. Biol., 443:89106, 2008.

[89] Erik Lindahl, Berk Hess, and David van der Spoel. GROMACS 3.0: a package for molecular simulation and trajectory analysis. J. Mol. Model, 7:306-317, 2001.

[90] A. Zhmurov, R.I. Dima, and V. Barsegov. Order statistics theory of unfolding of inultimeric proteins. Biophys. J., 99(6):1959-1968, 2010.

R. Zandi and D. Rcguera. Mechanical properties of viral capsids. Phys. Rev. E, 72:021917, 2005. G. E. Crooks. The entropy production fluctuation theorem and the nonequilibrium work relation for free energy differences. Phys. Rev. E, 60:2721-2726, 1999.

D. Collin, F. Ritort, C. Jarzynski, S. B. Smith, I. Tinoco, and C. Bustamante. Verification of the crooks fluctuation theorem and recovery of rna folding free energies. Nature, 437:231-234, 2005. M. Hoeiling and K. E. Gottschalk. Barnase-barstar: from first, encounter to final complex. J. Struct. Biol., 171(l):52-63, 2010.

T. Selzer and G. Schreiber. New insights into the mechanism of protein-protein association. Proteins, 45:190-198, 2001.

L. D. Landau and E. M. Lifshitz. Theory of Elasticity. Theoretical Physics. Elsevier, third edition, 1986.

B. Vulevic and J. J. Correia JJ. Thermodynamic and structural analysis of microtubule assembly: the role of gtp hydrolysis. Biophys. J., 72(3):1357-1375, 1997.

M. K. Gardner, B. D. Charlebois, I. M. Janosi, J. Howard, A. ,J. Hunt, and D. J. Odde. Rapid microtubule self-assembly kinetics. Cell. 146(4) :582-592, 2011.

D. Sept, N. A. Baker, and J. A. McCammon. The physical basis of microtubule structure and stability. Prot. Set, 12:2257-2261, 2003.

M. Caplow, R. L. Ruhlen, and ,T. Shanks. The free energy for hydrolysis of a microtubule-bound nucleotide triphosphate is near zero: all of the free energy for hydrolysis is stored in the microtubule lattice. J. Cell Biol, 127:779-788, 1994.

X. Su, R. Ohi, and D. Pellman. Move in for the kill: motile microtubule regulators. Trends Cell Biol, 22:567-575, 2012.

B. Maicr, L. Potter, M. So, II. S. Seifert, and M. P Sheetz. Single pilus motor forces exceed 100 pn. Proc. Natl. Acad. Set. USA, 99:16012-16017, 2002.

F. Gittos, B. Mickey, J. Nettleton, and J. Howard. Flexural rigidity of microtubules and actin filaments measured from thermal fluctuations in shape. J. Cell Biol., 120:923- 934. 1993. S. P. Timoshenko. Theory of Elastic Stability. McGraw-Hill Book Company, Inc., second edition, 1961.

K. L. Johnson. Contact Mechanics. Cambridge University Press, first edition. 1985. Y. Zhao. Z. B. Gc, and J. Y. Fang. Elastic modulus of viral nanotubes. Phys. Rev. E. 78:031914, 2008.

E. J. Gumbol. Statistics of Extremes. Dover Publications, 2004. D. A. McQuarrie. Statistical Mechanics. University Science Books. 2000.

M. M. Gibbons and W. S. Klug. Nonlinear finite-element analysis of nanoindentation of viral capsids. Phys. Rev. E. 75:031901, 2007.

[110] D. K. Phelps, B. Speelman, and C. B. Post. Theoretical studies of viral capsid proteins. Opin. Struct. Biol., 10:170-173, 2000.