Моделирование взаимодействия ДНК с липидами и нанотрубками методами молекулярной механики и докинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Дьячков, Евгений Павлович

• Дьячков, Евгений Павлович
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Дьячков, Евгений Павлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДНК С

ЛИПИДАМИ И МЕТОДАМИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХАНИКИ

Введение

1.1. Экспериментальные свидетельства в пользу существования комплексов ДНК с липидами

1.2. Методика расчета

1.3. Результаты расчетов

1.3.1. Взаимодействие ДНК - транс-олеиновая (элаидиновая) кислота по данным молекулярной механики

1.3.1.1. Зависимость энергии комплексов (АТ)П - транс-оле от длинны цепочки (n)

1.3.1.2. Зависимость энергии комплексов ДНК - транс-оле от состава ДНК и расположения транс-олеиновой кислоты в малой и большой бороздках

1.3.2. Зависимость структуры и стабильности комплексов олигомеров ДНК от составов жирной кислоты и ДНК

1.3.3. Моделирование взаимодействия ДНК с холестерином и его жирнокислотными эфирами методом молекулярной механики

1.3.3.1. Экспериментальные свидетельства в пользу взаимодействия холестерина и ДНК

1.3.3.2. Компьютерное моделирование структуры и стабильности комплексов ДНК с холестерином и его эфирами 40 Выводы

ГЛАВА II. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДНК С ЛИПИДАМИ ПО ДАННЫМ

МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОГО ДОКИНГА

Введение

2.1. Метод докинга и программа Autodock 3.

2.1.1. Моделирование докинга

2.1.2. Построение решетки

2.1.3. Энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия

2.1.4. Моделирование водородных связей

2.1.5. Карты электростатического потенциала на решетке

2.2. Результаты расчетов 70 Выводы

ГЛАВА III. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОДНОНИТЕВЫХ ДНК С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ ПО ДАННЫМ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОГО ДОКИНГА 83 Введение

3.1. Метод расчета

3.2. Результаты расчетов 88 Выводы 99 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 100 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование взаимодействия ДНК с липидами и нанотрубками методами молекулярной механики и докинга»

В данной работе изучены супрамолекулярные комплексы двунитевых ДНК с липидами и однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками. Липиды играют важную структурную и энергетическую роль в функционировании клетки. Они участвуют в процессах передачи сигнала, регуляции экспрессии генома, в структурной и функциональной организации ДНК, хромосом, хроматина и ядерного матрикса. ДНК-связанные липиды имеют специфический состав, отличный от состава липидов ядерной мембраны, хроматина, ядерного матрикса, митохондрий и микросом. Такие липиды как жирные кислоты, холестерин, диглицериды и кардиолипин, со структурной и функциональной точек зрения, являются важной частью хроматина и геномной ДНК. Приближенно известен жирнокислотный состав комплексов ДНК с липидами как прокариот, так и эукариот, что крайне важно для понимания их функции. Однако до настоящего времени отсутствовала прямая информации о структуре комплексов липидов, в частности, жирных кислот, с нуклеиновыми кислотами.

В последние несколько лет уделяется большое внимание вопросам взаимодействия биомолекул с одностенными углеродными нанотрубками. Этот интерес связан с необходимостью изучения возможного биологического действия нанотрубок, в частности, оценки их возможной канцерогенной активности. Обсуждается также возможность использования нанотрубок для доставки лекарств и генетической информации. Комплексы ДНК с нанотрубками предлагают использовать в качестве бносенсоров в биоинженерных приборах. С другой стороны, при помощи ДНК предлагают разделять смеси нанотрубок разного диаметра. Все это указывает на необходимость определения строения и прочности комплексов ДНК с нанотрубками.

Цели работы

В работе с единой методической точки зрения рассмотрены две задачи супрамолекулярной химии указанных биоактивных систем.

1. Изучение зависимости комплексообразования ДНК с жирными кислотами, холестерином и его эфирами от нуклеотидного состава ДНК и состава липидов.

2. Исследование зависимости комплексообразования однонитевых ДНК с нанотрубками от нуклеотидного состава ДНК и диаметра нанотрубок.

Научная новизна

С помощью методов молекулярной механики и докинга изучено, взаимодействие двунитевых ДНК с жирными кислотами, холестерином и его эфирами и однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками. Определены строение и устойчивость таких комплексов. Получены теоретические данные о предпочтительности связывания липидов с малой бороздкой ДНК по сравнению с большой. При этом энергия взаимодействия жирных кислот с ДЕК оказывается зависящей от числа двойных связей в жирной кислоте. Образование комплексов ДНК-липид приводит к ослаблению водородных связей между нитями ДНК.

Методом молекулярного докинга впервые изучены особенности координации однонитевых ДНК с нанотрубками разного размера. В случае нанотрубок малого диаметра энергетически выгодна координация однонитевых ДНК на внешней поверхности нанотрубки. В нанотрубке с диаметром 24 А возможно образование комплексов с расположением однонитевых ДНК как внутри, так и снаружи нанотрубки. Дальнейшее увеличение диаметра нанотрубки приводит к энергетической выгодности внутреннего расположения биополимера.

Прочность комплексов ДНК-липид и ДНК-нанотрубка зависит от нуклеотидной последовательности в биополимере.

Практическая значимость

Определена структура и стабильность комплексов двунитевых ДНК с жирными кислотами, холестерином и его эфирами, а также комплексов однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками.

На защиту выносятся следующие положения, вытекающие из проведенного теоретического анализа:

1. Возможность образования стабильных комплексов между двунитевыми ДНК и жирными кислотами, холестерином и его эфирами благодаря взаимодействию липида и с малой, и с большой бороздками ДНК. При этом связывание с малой бороздкой оказывается более прочным, чем с большой бороздкой. Этот теоретический результат впервые дал объяснение наличия двух фракций жирных кислот, холестерина и его эфиров, извлекаемых из препаратов ДНК биохимическими методами. Процесс образования комплексов ДНК с липидами сопровождается заметным ослаблением водородных связей между нитями ДНК.

2. Для нанотрубок малого диаметра энергетически выгодной является координация однонитевых ДНК на внешней поверхности нанотрубки, а для нанотрубок большого диаметра - внутреннее расположение биополимера. В нанотрубке с промежуточным диаметром (24 А) возможно образование комплексов с расположением однонитевых ДНК как внутри, так и снаружи нанотрубки.

3. Прочность комплексов обоих типов непосредственным образом определяется нуклеотидной последовательностью в биополимерах, при этом наиболее важным фактором стабилизации комплексов оказывается изменения конформации лигандов.

Личный вклад автора заключается в выборе методов математического моделирования и адаптации компьютерных программ с учетом специфики изучаемых объектов исследования, а также в проведении всех компьютерных расчетов, написании статей, подготовке докладов, формулировке выводов и написании диссертации.

Задача изучения строения и стабильности комплексов ДНК с липидами была инициирована экспериментальными исследованиями по выделению таких комплексов, выполненными к.б.н. Стручковым В.А. и к.б.н. Стражевской Н.Б. (Российский Онкологический Научный Центр им. Н.Н. Блохина РАМН), а также профессором д.х.н. Ждановым Р.И. (Учреждение РАМН НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН), который проводит спектральные исследования таких систем.

Апробация работы. Работа докладывалась на следующих научных конференциях. «От современной фундаментальной биологии к новым наукоемким технологиям», Пущино, 2001. «Transeregio 5 Symposium Chromatin Assembly and Inheritance of Functional States», Munchen, 2003. «8-th Session of the V.A. Fock School on Quantum and Computational Chemistry», Velikiy Novgorod, 2004. «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач», Москва, 2004.

Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант 08-03-00262) и советом при Президенте РФ по поддержке ведущих научных школ (грант 616.2008.3).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей и 4 тезиса докладов на российских и международных конференциях.

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Дьячков, Евгений Павлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Методы молекулярной механики и докинга свидетельствуют о том, что жирные кислоты, сильно связываются с двунитевой ДНК. Связывание происходит с малой и бороздками ДНК. Связывание липидов с малой бороздкой более сильное, чем с большой бороздкой, чем объясняется наличие двух фракций липидов, извлекаемых из препаратов ДНК биохимическими методами. Энергия взаимодействия жирных кислот с ДНК зависит как от числа двойных связей жирной кислоты, так и от нуклеотидного состава ДНК и может составлять до 48 ккал/моль. Образование таких комплексов приводит к ослаблению водородных связей между нитями ДНК, что проявляется в увеличении длин этих связей.

2. Холестерин образует с ДНК примерно такие же по прочности комплексы, что и жирные кислоты. Переход к эфирам холестерина сопровождается упрочнением наиболее устойчивых комплексов, отвечающих расположению лигандов в малой бороздке ДНК. Энергия связи при переходе от холестерина к его эфирам возрастает в 1,5 — 2 раза. Такое возрастание энергии связи согласуется с принципом аддитивности согласно которому, энергия связи эфира холестерина с ДНК приближенно равна сумме энергий связи холестерина и жирной кислоты.

3. Метод молекулярного докинга предсказывает сильное изменение конформации однонитевой ДНК при связывании с нанотрубками. В случае нанотрубок малого диаметра энергетически выгодна координация однонитевых ДНК на внешней поверхности нанотрубки. В нанотрубке с диаметром 24 А возможно образование комплексов с расположением однонитевых ДНК как внутри, так и снаружи нанотрубки. Дальнейшее увеличение диаметра нанотрубки приводит к энергетической выгодности внутреннего расположения биополимера. Прочность таких комплексов зависит также от нуклеотидной последовательности в биополимере.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Дьячков, Евгений Павлович, 2009 год

1. Стручков В. А., Стражевская Н. Б. // Биохимия. 2000. Т. 65. № 5. С. 526-545.

2. Алесеенко А.В. // Биохимия. 1998. Т. 63. № 1. С. 75-82.

3. D'Santos С., Clarke J.H., Roefs М., Halstead J.R., Divecha N. Nuclear inositides // Eur. J. Histochem. 2000. V. 44. № 1. P. 51-60.

4. Duplus E., Glorian M., Forest C. Fatty acid regulation of gene transcription // J. Biol. Chem. 2000. V. 275. № 40. P. 30794-30752.

5. Беляев С.Д., Стражевская H. Б., Коломийцева И.К. // ДАН. 1974. Т. 214. №5. С. 1189-1191.

6. В.А. Стручков, Н.Б. Стражевская. ДНК-связанные липиды: состав и возможные функции // Биохимия. 1993, 58, 1154.

7. Т.П. Георгиев, В.А. Стручков, Биофизика, 1961, 5, 742.

8. V.A. Struchkov, N.B. Strazhevskaya, and Zhdanov R.I., DNA-bound lipids of normal and tumor cells: retrospective and outlooks for functional genomics and lipid-DNA code // Bioelectrochem., 2002, 58, 55.

9. В.А. Стручков, Н.Б. Стражевская, Биохимия, 1988, 53, 1449.

10. В.А. Стручков, Н.Б. Стражевская, // Эксперимент, онкология, 1989, 11,35.

11. Zs. Balint //Bas. Appl. Histochem., 1987, 31, 365.

12. Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков, В.А. Стручков и др. ДНК-связанпые липиды: моделирование взаимодействия ДНК со стеариновой иненасыщенными жирными кислотами. Известия Академии наук. Серия химическая. 2003, № 9, с. 1794-1800.

13. R.A. Cunha, M.D. Costantino, Е. Fonseca, and LA. Ribeiro, Effect of cis unsaturated free fatty acids // Eur. J. Biochem. 2001, 268, 2939.

14. U. Burkert, N. Allinger, Molecular Mechanics, Am. Chem. Soc., Washington, DC, 1982.

15. Weiner S.J., Kollman P.A., Case D.A. A new force field for molecular mechanical simulation of nucleic acids and proteins //J. Amer.Chem. Soc. 1984, V. 106. № 1. P. 765-784

16. B.A. Стручков, Е.П. Дьячков, Н.Б. Стражевская, Р.И. Жданов, ГШ. Дьячков //Доклады Академии Наук 2001. Т 381. № 4. С 554-559.

17. Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков, Н.Б. Стражевская и др. Структура и стабильность комплексов олигомеров ДНК с жирными кислотами по данным молекулярной механики. Доклады Академии наук, 2003, том 390, № 4, с. 548-552.

18. F.A. Manzoli, J.H. Muchmore, В. Bonora, S. Capitani, and S. Bartoli, Biochim. Biophis. Acta, 1974, 340, 1

19. R.I. Zhdanov, N.B. Strazhevskaya, A.R. Jdanov, and G. Bischoff, J. Biomol. Str. Dynamics, 2002, 20, 231-243.

20. L. Cocco, A. M. Martelli, R. S. Gilmour,et al.// Biochim. Biophys. Acta. 2001. Vol. 1530. № 1. P. 1 14.

21. J. P. Incardona, S. Eaton // Current Opin. Cell. Biol. 2000. Vol. 12. № 1. P. 193 -203.

22. R.I. Zhdanov, V.A. Struchkov, O.S. Dyabina, et al.// Cytobios. 2001. Vol. 106. № l.P. 56-61.

23. R. 1. Zhdanov, N. B. Strazhevskaya, A. R. Jdanov et al. // J. Biomol. Str. Dynamics. 2002. Vol. 20. № 2. P. 232-243.

24. A.S. Krylov, O.A. Zasedateleva, D.V. Prokopenko, J. Rouviere-Yaniv, A.D. Mirzabekov, Nucleic Acids Research, 2001, V.29, P.2654-2660.

25. R.A. Heyman, D.J. Mangelsdorf, I.A. Dyack, R.B. Stein, G. Eicliele, R.M. Evans, and C. Thailer, Cell, 1992, 68, 397.

26. P.M. Жданов, Е.П. Дьячков, Н.Б. Стражевская и др. Структурная липидомика. Холестерин и его эфиры в геномной ДНК эукариот: биохимический анализ и компьютерное моделирование. Патогенез. 2003. № 1, с. 55-61.

27. Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков Н.Б. Стражевская и др. Холестерин и его эфиры в ДНК: анализ, компьютерное моделирование и связывание на биологическом микрочипе. Известия Академии наук. Серия химическая. 2005, №9, с. 2138-2144

28. Н.И. Бойко, Р.И. Жданов, Е.П. Дьячков и др. Моделирование взаимодействия ДНК с диглицеридами. Известия Академии наук. Серия химическая, 2008, № 8 с. 1741-1744.

29. Goodsell, D.S. & Olson, A.J. (1990) "Automated Docking of Substrates to Proteins by Simulated Annealing", Proteins: Str. Func. Genet., 8, 195-202.

30. Morris, G. M., Goodsell, D. S., Halliday, R.S., Huey, R., Hart, W. E., Belew, R. K. and Olson, A. J. "Automated Docking Using a Lamarckian

31. Genetic Algorithm and and Empirical Binding Free Energy Function". (1998), J. Computational Chemistry , 19 : 1639-1662.

32. Morris, G. M., Goodsell, D. S., Huey, R. and Olson, A. J. "Distributed automated docking of flexible ligands to proteins: Parallel applications of AutoDock 2.4". (1996), J. Computer-Aided Molecular Design , 10 : 293-304.

33. Lin, J. H., Penyman, A. L., Schames J. R. and McCammon, J. A. "Computational drug design accommodating receptor flexibility: The relaxed complex accommodating receptor scheme." (2002) Journal of the American Chemical Society 124: 5632-5633.

34. Perryman, A. L. & McCammon, J. A. (2002). AutoDocking dinucleotides to the HIV-1 integrase core domain: Exploring possible binding sites for viral and genomic DNA J Med Chem 45: 5624-5627.

35. Minke, W.E., Diller, D.J., Hoi, W.G., and Verlinde C. L. The role of waters in docking strategies with incremental flexibility for carbohydrate derivatives: heat-labile enterotoxin, a multivalent test case". (1999), J. Med. Chem., 42: 1778-1788.

36. Bitomsky, W. and Wade, R. C. "Docking of Glycosaminoglycans to Heparin-Binding Proteins: Validation for aFGF, bFGF, and Antithrombin and Application to IL-8". (1999), J. Am. Chem. Soc., 121: 3004-3013.

37. Lorber, D. M. "Computational drug design". (1999), Chemistry & Biology, 6: R227-R228.

38. Heine, A., Stura, E.A., Yli-Kauhaluoma, J.T., Gao, C., Deng, Q., Beno, B.R., Houk, K.N., Janda, K.D., and Wilson, I.A. "An antibody exo Diels

39. Alderase inhibitor complex at 1.95 A resolution". (1998), Science, 279: 19341940.

40. Coutinho, P. M., Dowd, M. K., Reilly, P. J., "Automated Docking of -(1,4)- and -(1,6)-Linked Glucosyl Trisaccharides in the Glucoamylase Active Site." (1998), Industrial & Engineering Chemistry Research, 37: 2148-2157.

41. Stoddard, B.L. and Koshland, Jr., D.E. "Prediction of a receptor protein complex using a binary docking method" (1992) Nature, 358: 774-776.

42. Garrett M. Morris, David S. Goodsell, Ruth Huey, William E. Hart, Scott Halliday, Rik Belew, Arthur J. Olson "Automated Docking of Flexible Ligands to Receptors. User's Guide" 2001.

43. Ермаков С. M. Методы Монте-Карло и смежные вопросы. М.: Наука, 1971г.

44. Севастьянов Б. А. Курс теории вероятностей и математической статистики. -М.:Наука, 1982г.

45. Zhao X. and Johnson J. К. Simulation of Adsorption of DNA on Carbon Nanotubes // J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129, № 34, P. 10438 -10445.

46. Lin Y., Taylor S., Li H., Fernando L., Qu S., Wang W., Gu L., Zhou В., Sun Y.-P. // J. Mater. Chem. 2004. V. 14. P. 527-541.

47. Zhang L., Kiny V. U., Peng H. Q., Zhu J., Lobo R. F. M., Margrave J. L., Khabashesku V. N. Sidewall Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes with Hydroxyl Group-Terminated Moieties // Chem. Mater. 2004. V. 16. P. 2055-2061.

48. Zheng M., Jagota A., Semke E. D., Diner B. A., McLean R. S., Lustig, S. R., Richardson R. E., Tassi N. G. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes // Nat. Mater. 2003. V. 2. P. 338-342.

49. Lustig S. R., Jagota A., Khripin C., Zheng M. Theory of Structure-Based Carbon Nanotube Separations by Ion-Exchange Chromatography of DNA/CNT Hybrids // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. P. 2559-2566.

50. Shim M., Kam N. W. S., Chen R. J., Li Y. M., Dai H. J. Functionalization of Carbon Nanotubes for Biocompatibility and Bimolecular Recognition// Nano Lett. V. 2002. № 2. P. 285-288.

51. Heller D. A., Jeng E. S., Yeung T.-K., Martinez В. M., Moll A. E., Gastala J. В., Strano M. S. Optical detection of DNA conformational polymorphism on single-walled carbon nanotubes // Science, 2006. V. 311. P. 508-511.

52. Gao H., Kong Y. Simulation of DNA-nanotube interactions. // Annu. Rev. Mater Res. 2004. V. 34. P. 123-150.

53. Lau E. Y., Lightstone F. C., Colvin M. E. Dynamics of DNA Encapsulated in a Hydrophobic Nanotube // Chem. Phys. Lett. 2005. V. 412. P. 82-87.

54. Lu G., Maragakis P., Kaxiras P. // Nano Lett. 2005. V. 5. P. 897-900.

55. Meng S., Maragakis P., Papaloukas C., Kaxiras E. DNA nucleoside interaction and identification with carbon nanotubes // Nano Lett. 2007. V. 7. P 40-45.

56. Okada Т., Kaneko Т., Hatakeyama R., Tohji K. Electrically triggered insertion of single-stranded DNA into single-walled carbon nanotubes // Chem. Phys. Lett. 2006. V. 417. P. 288-292.

57. Е.П. Дьячков, С.П. Долин, П.Н. Дьячков. Взаимодействие однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками по данным метода молекулярного докинга. Доклады Академии наук, 2008 том 423, № 2 с. 202-207.