Моделирование мини-белка Trp-cage: при витрификации для крио-ЭМ доли конформаций смещаются слабо
Молекулярная динамика Trp-cage при семи скоростях охлаждения, самые медленные из которых соответствуют эксперименту, показала малые, но заметные сдвиги населённостей и способ их учесть.
Исследователи с помощью молекулярной динамики проверили, как быстрое охлаждение при подготовке образцов для крио-ЭМ меняет распределение конформаций белка. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences и охватывает более 50 миллисекунд симуляций мини-белка Trp-cage в равновесии и при охлаждении 
doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗. В одночастичной крио-ЭМ образец погружают в криоагент и витрифицируют, на что уходит около 22 микросекунд. Как этот этап влияет на ансамбль биомолекул, до сих пор было неизвестно doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗.
Скорости охлаждения и поведение воды
Авторы смоделировали семь скоростей охлаждения, различающихся на три порядка. Самые медленные из них соответствуют экспериментальным скоростям, при которых витрификация ещё происходит doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗. Они проанализировали подвижность молекул и уравнения состояния «плотность — температура» для воды с белком и без него. По их выводу, белок не изменяет витрификацию воды doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗.
Чтобы отследить изменения конформации и связать их с кинетикой, команда построила марковскую модель состояний (MSM) Trp-cage. Она основана на 5,4 миллисекунды равновесной выборки при 277 K doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗.
Сдвиги населённостей и восстановление равновесия
Состояния MSM, характерное время которых превышает длительность неравновесного охлаждения, в целом были устойчивее к артефактам охлаждения doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗. В равновесном ансамбле при 230 K часть состояний исчезает. В ансамблях, полученных неравновесным охлаждением, не исчезло ни одно doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗. По данным авторов, вызванные охлаждением сдвиги населённостей малы, но наблюдаемы doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗.
Для более лабильных состояний, которые охлаждение возмущает сильнее, авторы разработали термодинамическую схему вывода. Она восстанавливает равновесные населённости по измеренным витрифицированным ансамблям doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗. На этом основании они делают вывод, что крио-ЭМ может быть надёжным и точным биофизическим методом для изучения ансамблей биомолекул doi.orgProceedings of the National Academy of Sciencesdoi.orgОткрыть источник ↗. Расчёты выполнены для одного мини-белка — Trp-cage.
