Представьте, что вы пытаетесь освободиться из китайской ловушки для пальцев: чем сильнее ваше усилие, тем труднее высвободиться. Этот принцип, кажущийся парадоксальным, проявляется и в биологических системах. Некоторые белковые комплексы способны формировать "ловушки", в которых сила притяжения приводит к еще большему усилению связи. Эти процессы играют важную роль в различных биологических явлениях, от адгезии бактерий к клеткам до обеспечения прочности тканей под нагрузкой.
Однако оставался нерешенным вопрос: требуется ли определенный порог растяжения для активации сцепляющих связей, или же они реагируют моментально на приложенное усилие?
Новое исследование предлагает решение. Используя комбинацию масштабного молекулярного моделирования и методов искусственного интеллекта, ученые обнаружили, что сцепляющие связи активируются почти сразу после приложения силы.
Для решения этой задачи группа исследователей смоделировала поведение целлюлосомы, бактериального белкового комплекса, известного своей высокой прочностью связывания. С помощью управляемой молекулярной динамики, фактически представляющей собой вычислительный микроскоп, растягивающий молекулы поатомно, они создали множество детализированных "фильмов", показывающих поведение белка под нагрузкой.
Затем, используя регрессионные модели, основанные на ИИ, ученые обучили систему предсказывать момент разрыва белкового комплекса. Удивительно, но ИИ мог делать точные прогнозы, используя лишь небольшие объемы данных моделирования, задолго до фактического разрыва связи.
"Это говорит о том, что белки определяют свою устойчивость практически в момент начала натяжения. Механизм захвата активируется почти мгновенно", - отмечают ученые.
Понимание принципов работы сцепляющих связей имеет большое значение. Они важны для устойчивости бактерий, например, золотистого стафилококка, к вымыванию, для адгезии иммунных клеток к кровеносным сосудам и для поддержания прочности тканей, таких как хрящ, под постоянной нагрузкой.
"Это системы, в которых живые организмы научились использовать силу в своих интересах. Изучая эти механизмы, мы можем создавать новые биоматериалы, адгезивы и даже лекарственные препараты, которые эффективно работают в условиях механического напряжения", - поясняют исследователи.
Кроме того, исследование демонстрирует возможности ИИ в анализе сложных биологических данных. Вместо анализа статических структур, модели фиксировали динамические паттерны движения в белковых интерфейсах, обнаруживая ранние признаки, прогнозирующие стабильность.
Исследование демонстрирует, как вычислительная биофизика и ИИ становятся ключевыми инструментами в биологических исследованиях.
Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Chemical Theory and Computation .
Изображение на обложке: китайская ловушка для пальцев. Фото: Рафаэль К. Бернарди – Auburn Physics
