Обычные методы молекулярной динамики позволяют производить расчет сравнительно небольших ансамблей молекул. При моделировании биологических систем один из наиболее важных моментов — подбор хорошего физического аналога.

Для расчета динамики сборки больших клеточных структур вроде филаментов цитоскелета или ансамблей из ферментов такой выбор сделать не так просто. Часто исследователи ограничиваются очень простыми механическими аналогами, но есть и более сложный, но и более универсальный метод грубозернистого молекулярного моделирования (Coarse-Grained Molecular Dynamics). Он предполагает замену групп атомов упрощенной частицей с более мягкими взаимодействиями [1], что позволяет увеличить шаг по времени и ускорить вычисления в 10-200 раз [2].

Такой метод позволяет делать продвинутые в плане сложности системы расчеты, как с растворителями, например, образование ламмелярных фаз (рис. 1) [1], так и с белками, например, оценивать стабильность белковых оболочек вируса (рис. 2) [3].

Рис.1. Образование ламеллярной фазы [1]

Рис.2. Принцип грубозернистого молекулярного моделирования на примере капсида вируса [3]

Недостатки метода грубозернистого молекулярного моделирования в том, что авторы в значительной степени вольны в выборе адекватной модели, нет какого-либо устоявшегося алгоритма выделения главных компонентов структур. Опираясь на первопринципные расчеты и эмпирические данные, возможен подбор таких потенциалов, чтобы модель описывала экспериментальные примеры. Однако при этом сложно оценить в какой мере это был искусственный подгон под ожидаемый результат.

Принципиальным является момент описания связей в модельных системах, поскольку на таком грубом уровне аппроксимации становится очевидным — при образовании комплексов, эффективные потенциалы могут значительно изменять свои параметры. Оптимальный аналог может поменять свою структуру при определенных условиях изменения конформации моделируемого грубозернистой аппроксимацией белка.

Тут вступает в игру метод дополнительных частиц (DIA00101, DIA00108), который позволяет динамично описывать переключения в системах.

Гипотеза заключается в том, что при определенных вычислительных хитростях нам удасться значительно обогатить метод грубозернистого молекулярного моделирования, незначительно повысив накладные расходы. Мы дадим методу возможность «дышать» по оси уровней организации, тем самым на определенных этапах расчета будет достигаться максимальная эффективность и экономия расчетного времени. Но, что более важно, откроется возможность создавать и исследовать целый класс моделей комплексообразования, самосборки и особой термодинамики многоуровневой самоорганизации в физической биологии клетки.

1. Voth G.A. Coarse-graining of condensed phase and biomolecular systems. Boca Raton: CRC Press, 2009.
2. Shen H. et al. Anisotropic Coarse-Grained Model for Proteins Based On Gay–Berne and Electric Multipole Potentials // Journal of Chemical Theory and Computation. 2014. Vol. 10, № 2. P. 731–750.
3. Arkhipov A., Freddolino P.L., Schulten K. Stability and Dynamics of Virus Capsids Described by Coarse-Grained Modeling // Structure. 2006. Vol. 14, № 12. P. 1767–1777.