Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Сколково и Вирджинии (США) сравнили модельное распределение натрия и калия в разных растворах вокруг ДНК с экспериментами. Моделирования с разными моделями воды повторяли разные экспериментальные данные лучше других. Модели воды отличаются взаимным расположением и величиной зарядов, иллюстрирующих молекулу воды. Полученные результаты помогут точнее моделировать поведение ДНК, в том числе для разработки возможных лекарств от рака.

Работа опубликована в журнале Journal of Chemical Theory and Computation.

Клетка в течение своей жизни использует записанную в ДНК информацию для синтеза необходимых для жизни белков и РНК. В клетках животных и человека ДНК свернута в хромосомы, которые находятся в ядре, где концентрация калия значительно превышает концентрацию натрия. В то же время экспериментальные растворы, в которых содержится ДНК, обычно содержат хлорид натрия, что отличает их от природной среды хранения ДНК. Это может повлиять на результаты экспериментов и отдалить их от реальности.

В клетке ионы, окружающие ДНК, необходимы для стабилизации ее структуры. Обе нити ДНК несут на себе большой отрицательный заряд, из-за которого в отсутствие ионов и воды нити молекулы могут разъединиться. Экранирование заряда молекулами воды и ионами не позволяет нитям оттолкнуться друг от друга. Взаимодействие нитей ДНК друг с другом регулируется распределением ионов вокруг ДНК. Также для правильного функционирования ДНК и РНК часто необходимо связывание иона натрия или калия в специфичном кармане между нуклеотидами.

Рисунок 1. Несколько G-квартетов составляют G-квадруплекс. Источник: Molecules

Например, структура из четырех нуклеотидов — G-квартет (рисунок 1) стабилизируется ионом калия в центре. G-квартет играет важную роль в развитии рака. Возможно, воздействие на него поможет приблизиться к излечению некоторых онкологических заболеваний.

Для исследования взаимодействий ионов с ДНК хорошо подходит моделирование методом молекулярной динамики. Оно позволяет вычислять зависимости координат атомов от времени. На скорости движения ионов и атомов ДНК влияют используемая в симуляции модель воды и параметры ионов. Для точного моделирования критически важно подобрать верные параметры составляющих системы.

Авторы сделали симуляции ДНК в растворах хлоридов натрия и калия с использованием четырех наиболее широко применяемых комбинаций моделей воды и ионов. Ученые вычислили зависимости концентрации ионов натрия и калия от расстояния до оси ДНК (рисунок 2) и сравнили их между собой.

Рисунок 2. Вычисленные зависимости концентрации ионов от расстояния до оси ДНК в симуляциях с использованием разных моделей воды. Источник: Journal of Chemical Theory and Computation

Также некоторые детали распределений удалось сравнить с имеющимися экспериментальными результатами. Оказалось, что при использовании одной из моделей воды ионы калия связывались с ДНК в специфических сайтах гораздо лучше, чем в остальных симуляциях, что соответствует экспериментальным наблюдениям. Однако в симуляциях с этой моделью воды ионы натрия притягивались к ДНК в слишком больших количествах. Модель OPC (optimal point charge) с одним из наборов параметров ионов показала удовлетворительное связывание калия с ДНК и нужное количество сконденсированного на ДНК натрия. Она может быть использована как компромиссный вариант.

«Наше сравнение подчеркивает одну из основных проблем молекулярного моделирования ДНК — сложность подбора модели воды и параметров ионов моделируемой системы. Мы надеемся, что полученные результаты помогут научному сообществу получать более точные результаты при моделировании ДНК. Также мы выявили некоторые различия во взаимодействии ионов натрия и калия с ДНК. Замена натрия на калий в экспериментальных растворах может сделать получаемые результаты гораздо более применимыми в индустрии», — рассказал Егор Колесников, аспирант МФТИ.