Paulina Smaruj
Wiceprezes, Koło Naukowe Biologii Molekularnej UW

Wykorzystanie komputerów do przewidywanie struktury i właściwości biomolekuł sięga ich narodzin, czyli lat 50. XX. wieku. Modelowanie molekularne jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin z zakresu chemii teoretycznej i komputerowej w ostatnich 30 latach, a liczne odkrycia zostały uhonorowane nagrodą Nobla. Jak wykorzystać komputer do dowiedzenia się czegoś o związkach biochemicznych i po co właściwie to robić? – czytajcie dalej…

Czym jest modelowanie molekularne?

Jest to właściwie zbiór technik (opartych o wykorzystanie szeroko pojętych komputerów) w celu uzyskiwania, wizualizacji i manipulacji strukturami molekuł i reakcjami między nimi. Modelowanie molekularne pozwala także na wnioskowanie o ich właściwościach zależnych od trójwymiarowej struktury cząsteczki. Jak można domyślać się już po tak skrótowej definicji, modelowanie molekularne jest działem wyjątkowo interdyscyplinarnym: w jego rozwój wnoszą wkład chemicy, fizycy, biolodzy, informatycy i naukowcy na pograniczu tychże nauk.

Ogólne pojęcie – co się dzieje w pudełku?

Dobrze, to teraz czas na małe ćwiczenie. Zamknij oczy, wyobraź sobie sześcienne pudełko, właściwie bardzo, bardzo, bardzo małe sześcienne pudełko. To właśnie w nim będziemy przeprowadzać naszą symulację. Zadanie, które mamy wykonać to wymodelowanie małego białka, np. mioglobiny. Wróćmy teraz do pudełka – czego nam w nim brakuje? No cóż, na pewno obiektu badań – czyli naszego białka. Ale zaraz, zaraz… przecież pudełko to jest wytworem wewnątrz programu komputerowego – musimy za pomocą odpowiednich równań (opisujących takie zjawiska jak oddziaływania elektrostatyczne, obrót wokół wiązań, etc.) dodać do wnętrza pudełka panujące w naszym świecie prawa fizyko-chemiczne. Całość równań, opisujących siły, oddziaływania, kąty itd. uwzględnianych przy symulacji określa się jako pole siłowe (ang. force field). Tak czy siak, wciąż nasze białko jest w próżni, oprócz jego samego, trochę fizyki i chemii nie ma nic więcej (pamiętaj, że mówimy o wyimaginowanym pudełku stworzonym przez program komputerowy). W normalnych warunkach białko jest znużone w cytozolu lub płynie pozakomórkowym. Co musimy dodać do pudełka? Tak, wlewamy do niego wodę z dodatkiem powszechnie występujących w układach biologicznych jonów, jak potas czy chlor (właściwie są różne strategie radzenia sobie z problemem rozpuszczalnika w symulacjach, ale to zostawię dla zainteresowanych). Co potem? Zostaje nam tylko dodanie periodycznych warunków brzegowych. Idea jest taka, by w każdym fragmencie pudełka panowały takie same warunki. Wyobraź sobie, że jesteś cząsteczką wody, kiedy znajdziesz się w środku naczynia, będziesz otoczony wieloma sąsiadami – innymi cząsteczkami wody. A co, gdy wylądujesz przy ściance? Liczba Twoich molekularnych druhów będzie mniejsza. Żeby tego uniknąć, wprowadza się właśnie periodyczne warunki brzegowe – czyli nasze pudełko otacza się ośmioma identycznymi pudełkami ze wszystkich stron. Ostatecznie, po wszystkich zabiegach przeprowadza się symulację. Celem jest znalezienie takiego ułożenia atomów w modelowanej cząsteczce, by cały układ miał jak najniższą energię – czyli był chemicznie najtrwalszy. 

Dobra, ale po co to wszystko?

Zastosowania modelowania molekularnego są niezliczone. Można przewidywać proces zwijania białka (ang. protein folding) dysponując wyłącznie jego sekwencją aminokwasową, lepiej… możemy także przewidywać potencjalne interakcje z innymi białkami czy związkami chemicznymi (i to jest odpowiedni moment, by w Twojej głowie zaświeciła się lampeczka „projektowanie leków” (ang. drug design)).

Oczywiście, został tutaj przedstawiony skrajnie minimalistyczny zarys pojęcia modelowania molekularnego. Samych technik modelowania jest multum, podobnie sposobów na obliczenie poszczególnych oddziaływań. Największym wyzwaniem, z którym mierzą się specjaliści, jest moc obliczeniowa. Oczywiście nikt nie modeluje nawet prostych układów na laptopach, wykorzystuje się do tego celu serwery i klastry obliczeniowe. Dlaczego wszystko to jest tak kosztowne obliczeniowo? Bo nawet w bardzo, bardzo małym pudełku, o którym cały czas rozmawiamy, jest strasznie, strasznie dużo cząsteczek (pomyśl o samym rozpuszczalniku). Informacje o wszystkich tych molekułach muszą być procesowane przez komputer.

Zachęcam do dalszej eksploatacji tematyki modelowania molekularnego! Niezależnie od tego, czy definiujesz siebie jako chemika, biofizyka, informatyka, na pewno Twój wkład w techniki modelowania jest więcej niż potencjalny!