Ученые из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (ИБХ РАН) при помощи метода компьютерного моделирования впервые смогли изучить явление температурной активации рецептора TRPV1 высших организмов. Прежде эксперименты in silico не позволяли добиться подобных результатов из-за несовершенства компьютерных моделей. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

– История этого исследования началась, когда наши коллеги из Лаборатории нейрорецепторов и нейрорегуляторов попросили изучить динамику и свойства рецептора TRPV1 для создания новых противовоспалительных и анальгетических препаратов, — рассказывает Антон Чугунов, кандидат физико-математических наук, сотрудник Лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН, один из авторов статьи. — Ее бывший руководитель, известный в мире ученый Евгений Васильевич Гришин, стал инициатором этого исследования, его памяти мы и посвятили нашу работу. Мы довольно быстро предоставили коллегам необходимую информацию, но в ходе расчетов обнаружили, что можем наблюдать нечто большее — эффект температурной активации рецептора. Это настолько тонкий процесс, а моделирование методом молекулярной динамики, которое позволяет изучать «поведение» белков, — настолько пока что неточный «молекулярный микроскоп», что мы были поражены открывшимся возможностям.

TRPV1 — один из членов семейства TRP-рецепторов (белков), который участвует в системе поддержания постоянной температуры тела. В конце прошлого века американский ученый Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета Сан-Франциско одним из первых выявил терморегулирующую функцию этого ионного канала, который при повышении температуры начинает пропускать ионы натрия, магния и кальция сквозь клеточную мембрану, подавая клетке сигнал об изменении окружающих условий. Позже профессор Джулиус расшифровал пространственную структуру рецептора TRPV1 при помощи метода крио-электронной микроскопии, который позволяет рассмотреть замороженный при высоком давлении объект незначительного размера (10-15 нм). Изъяном полученной структуры было то, что статический замороженный рецептор частично не поддавался расшифровке в области динамических изменений, которая является наиболее интересной для ученых. Поэтому до настоящего момента процесс активации рецептора оставался не до конца ясным. Антон вместе с коллегами из ИБХ РАН восполнили этот пробел.

– Мы взяли компьютерную модель рецептора в двух состояниях: в открытом и в закрытом, — объясняет Антон Чугунов. — Чтобы увидеть его работу, мы провели впечатляющие по длительности расчеты молекулярной динамики (целый год!), а также воспользовались методом компьютерного «картирования» поры. Мы «разворачивали» пору, то есть проецировали свойства ее внутренней — каналобразующей — поверхности на плоскость и наглядно визуализировали их при разных температурах. С помощью специально разработанной программы мы следили за изменением радиуса поры, которое происходило постепенно во времени: шаг за шагом, как это происходит в живой клетке. Зарегистрированные сильные скачки на графике означали, что пора меняла состояние с закрытого на открытое, но не наоборот. Мы знали, что рецептор активируется при температуре выше 43°С, причем каждый может ощутить это, опустив руку в горячую воду. Поэтому мы посчитали молекулярную динамику для каждого состояния при четырех температурах: две были выше и две ниже 43°С. Результаты оказались неожиданными.

Логично было предполагать, что рецептор, расчет молекулярной динамики которого был запущен в состоянии закрытой поры канала, должен оставаться закрытым при двух нижних температурах и открываться при двух высоких, и наоборот. Однако вычислительный эксперимент показал, что в закрытом состоянии пора канала открывалась при высоких температурах, но при расчете из открытого состояния поры низкие температуры не закрывали пору в течение расчетного времени (до 1 микросекунды).

– Получилась некая асимметрия: ионному каналу гораздо проще открываться, чем закрываться, — заключает Антон.

Опубликованные данные показывают, что современные вычислительные мощности помогают исследовать ионные каналы и особенности их работы во временных интервалах, которые пока невозможно регистрировать экспериментально. Кроме того, мы наблюдаем за переходами внутри молекулы рецептора, как если бы у нас был «молекулярный микроскоп».

Конечной целью работы можно считать создание в ближайшем будущем виртуального рецептора TRPV1, пригодного для предсказания структуры селективных лигандов. Ожидается, и не без основания, что такие лиганды найдут применение в медицине как анальгетические лекарства и будут лишены большинства побочных эффектов, свойственных современным препаратам группы нестероидных противовоспалительных средств.