ИСТИНА

Проект направлен на разработку новых методов структурного анализа мало упорядоченных биополимеров в различном функциональном (конформационном) состоянии с использованием рентгеновских лазеров на свободных электронах. Несмотря на огромный прогресс структурной биологии, накоплению обширной базы данных по 3D-структурам белков, успехам молекулярного моделирования биополимеров и их комплексов в различном функциональном состоянии с использованием суперкомпьютерных технологий наши реальные знания о тонких механизмах регуляции биологических процессов и возможности прогнозирования эффектов воздействия и управления биологическими функциями живых систем остаются все еще явно недостаточными. Так из имеющихся в настоящее время порядка 6 млн. белковых последовательностей нам известны пространственные структуры только порядка 140 тысяч белковых молекул. Приближение эры экзафлопных вычислений дает надежду на резкое увеличение возможностей изучения структуры и динамики белков с использованием молекулярного моделирования. Однако, реализация этих возможностей упирается в недостаточные знания о силовых полях, которые в настоящее время калиброваны практически только для областей конфигурационного пространства макромолекул, которые отвечают состояниям близким к равновесию. По этой причине экспериментальные методы изучения структуры и функциональной динамики белков имеют принципиальное значение для развития наук о жизни и прикладных направлений биомедицины. Рентгеновские лазеры на свободных электронах обладают принципиальными возможностями изучения структуры и динамики белковых объектов в неравновесных состояниях. Эта информация имеет очень большую значимость для дальнейшего развития фундаментальных основ функционирования живых систем и решения прикладных вопросов. Важный момент состоит в том, что в неравновесном и функционально активном состоянии белковые молекулы (за небольшим исключением) находятся в неупорядоченной фазе (растворе, геле, мембране). Поэтому весьма актуальной является разработка новых методов определения структурных, динамических и кинетических параметров таких структур по картине рассеяния высоко интенсивного рентгеновского лазерного излучения. Отсутствие в данном случае традиционной дифракционной картины рассеяния, которое получается на кристаллических образцах требует новых подходов и интеграции методов решения обратной задачи рассеяния и молекулярного моделирования структуры и динамики изучаемых макромолекул. При этом предлагается использовать для регуляризации обратной задачи рассеяния предварительную информацию о структуре и динамике белков, о вкладе в общую картину рассеяния элементов консервативной вторичной структуры белков, а также алгоритмы нейронных сетей для распознавания определенных дескрипторов пространственной структуры белков в картине рассеяния. Проблема моделирования описываемых экспериментов не исчерпывается вышесказанным. Имеются также особенности, связанные и с процессом доставки образцов в пучок. Использование вакуумной камеры делает актуальным и расчетные предсказания термодинамических параметров образца (микрокапли), которые существенно могут отличаться от начальных. Предлагаемое исследование рассматривает эти проблемы в комплексе.

The project aims to develop new methods for the structural analysis of little-order biopolymers in a different functional (conformational) state using free-electron X-ray lasers. Despite the tremendous progress in structural biology, the accumulation of an extensive database of 3D protein structures, the success of molecular modeling of biopolymers and their complexes in various functional states using supercomputer technologies, our real knowledge of the fine mechanisms of regulation of biological processes and the ability to predict effects of effects and control of biological functions living systems are still clearly inadequate. So from the currently available order of 6 million protein sequences we know spatial structures of only about 140,000 protein molecules. Approaching the era of exaflop computing gives hope for a sharp increase in the possibilities of studying the structure and dynamics of proteins using molecular modeling. However, the realization of these possibilities rests on insufficient knowledge about the force fields, which are currently calibrated practically only for regions of the configuration space of macromolecules, which correspond to states close to equilibrium. For this reason, experimental methods for studying the structure and functional dynamics of proteins are of fundamental importance for the development of life sciences and applied areas of biomedicine. X-ray lasers on free electrons have fundamental possibilities for studying the structure and dynamics of protein objects in nonequilibrium states. This information is of great importance for the further development of the fundamental foundations of the functioning of living systems and the solution of applied questions. An important point is that in a nonequilibrium and functionally active state, protein molecules (with a few exceptions) are in an unordered phase (solution, gel, membrane). Therefore, it is very important to develop new methods for determining the structural, dynamic, and kinetic parameters of such structures from the pattern of scattering of highly intense X-ray laser radiation. The absence of Bragg diffraction in this case requires new approaches and integration of methods for solving the inverse scattering problem and molecular modeling of the structure and dynamics of the macromolecules studied. The project proposes to use for regularization of the inverse scattering problem preliminary information on the structure and dynamics of proteins and their complexes, on the contribution to the overall scattering pattern of typical elements of the conservative secondary structure of proteins and other known elements of the structure with local ordering, as well as neural network algorithms for recognizing elements of the spatial structure in the scattering picture. The development of the proposed methods is now advisable to focus on certain classes of biomacromolecular structures, among which we initially allocate 7 alpha-helical transmembrane proteins and chromatin organization at different scale in the nuclei of eukaryotic cells. The reasons for this choice are explained in the main text of the application.

Предполагается получить следующие результаты: - отобрать перспективные макромолекулярные биоструктуры для разработки на их примере методов распознавания, классификации и анализа возможных экспериментов на XFEL с единичными частицами; - выделить в отобранных структурах характерные пространственные элементы и дескрипторы для характеризации вкладов от этих элементов в картину рассеяния рентгеновского лазерного излучения (РЛИ); - опрелить условия, которые позволяют регистрировать динамические изменения конформации биомакромолекул и их комплексов в режиме проведения экспериментов с единичными частицами на XFEL; - создать для выбранного класса структур базу данных характерных вкладов в паттерны получаемой дифракционной картины при соблюдении геометрии экспериментов на XFEL; - разработать нейросетевые алгоритмы и ПО для распознавания, классификации и анализа потоков информации получаемых в экспериментах на XFEL с единичными частицами; - ориентировать разрабатываемые методы и базы данных на обработку информации в экспериментах с 7 альфа-спиральными трансмембранными белками и с хроматином в ядрах живых клеток. Значимость именно такого выбора объектов состоит в следующем. 1) На кристаллах и нанокристаллах 7 альфа-спиральных трансмембранных белков в ближайшие годы с использованием XFEL будут получены многочисленные данные о структурной динамике в ходе функционального акта. Это создаст хорошую перспективу (при благоприятном стечении экспериментальных обстоятельств) для калибровки аналогичных измерений с единичными молекулами того же типа. С другой стороны, такое развитие событий приведет и к дальнейшему развитию структурной биологии мембранных белков, которые плохо или почти не кристаллизуются, но чрезвычайно важны с точки зрения развития биомедицины и фармакологии. Именно в этой точке находится один из основных призов от использования XFEL для нужд биомедицины. 2) Использование в качестве одного из первых тестовых объектов хроматина имеет ряд преимуществ уже в ближней перспективе. Информация о пространственной укладке хроматина важна для понимания молекулярных механизмов работы генетического аппарата и является, фактически, основой эпигенетики, которая быстро развивается и ней связаны многие надежды персонифицированной медицины. Линейный размер этого объекта составляет порядка тысяч нанометров. Структуры нуклеосом – первичного элемента укладки хроматина размером порядка 10 нм и могут быть определены независимыми методами, включая молекулярное моделирование и крио-электронную микроскопию. Однако укладка хроматина на более крупных масштабах является пока проблемой. В этом отношении могут оказаться весьма актуальными возможности XFEL в режиме экспериментов с единичными частицами (ядрами клеток) с разрешением порядка 10-15А. Такое разрешение несколько маловато даже для вирусов, но в случае с хроматином может оказаться весьма полезным.

Группа участвует в обсуждениях и проведении предварительных исследований по теме проекта, начиная с момента строительства XFEL. Для анализа, обработки и интеграции результатов экспериментов по рассеянию с низким разрешением с результатами крио-электронной микроскопии был разработан программный пакет [101]. У группы также есть успешный опыт применения молекулярного моделирования к интерпретации данных по рассеянию электронов в методе крио-электронной микроскопии и установлению пространственной структуры некоторых калиевых каналов. Участники группы принимают участие в консорциумах по проведению экспериментов на XFEL в рамках первых европейских проектов по единичным частицам, нанокристаллографии и фемтосекундной кристаллографии. Для уточнения параметров экспериментов с неупорядоченными объектами нами были проведены оценочные расчеты по удержанию и ориентации белковых структур в области пучка оптическим пинцетом, влияния электро-магнитного поля оптического пинцета на структурную динамику биомакромолекул, расчет изменения термодинамического состояния капли с белковым объектом при впрыске в вакуумную камеру. Нами также развиваются новые представления о структурной динамике и самосборке 3D структуры (фолдинге) белков с привлечением методов многомерной геометрии и топологии в пространстве торсионных углов макромолекулы. В состав группы входят также известные специалисты в области вычислительных методов и нейросетевых алгоритмов [102]. Группа владеет всеми необходимыми методами современной биоинформатики, молекулярного моделирования и вычислительными методами для проведения работ по проекту. Необходимое ПО и суперкомпьютерные мощности имеются в наличии. Более подробно задел изложен в публикациях

Разработаны новые методы обработки информации по данным дифракции на единичных макромолекулярных и надмолекулярных объектов, предложены экспериментальные платформы для изучения пространственной структуры единичных биомакромолекулярных объектов