Молекулярная биофизика — это быстро развивающаяся междисциплинарная область исследований, которая объединяет концепции физики , химии , инженерии , математики и биологии . [1] Она стремится понять биомолекулярные системы и объяснить биологическую функцию с точки зрения молекулярной структуры, структурной организации и динамического поведения на различных уровнях сложности (от отдельных молекул до супрамолекулярных структур, вирусов и малых живых систем). Эта дисциплина охватывает такие темы, как измерение молекулярных сил, молекулярные ассоциации, аллостерические взаимодействия , броуновское движение и теория кабелей . [2] Дополнительные области изучения можно найти на Outline of Biophysics . Дисциплина потребовала разработки специализированного оборудования и процедур, способных визуализировать и манипулировать мельчайшими живыми структурами, а также новых экспериментальных подходов.
Молекулярная биофизика обычно занимается биологическими вопросами, аналогичными вопросам в биохимии и молекулярной биологии , стремясь найти физические основы биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, связанные с пониманием взаимодействий между различными системами клетки, включая взаимодействия между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также тем, как эти взаимодействия регулируются. Для ответа на эти вопросы используется большое разнообразие методов.
Флуоресцентные методы визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомно-силовая микроскопия (АСМ) и малоугловое рассеяние (МУРР) как с рентгеновскими лучами , так и с нейтронами (SAXS/SANS) часто используются для визуализации структур биологического значения. Динамику белков можно наблюдать с помощью нейтронной спиновой эхо -спектроскопии. Конформационные изменения в структуре можно измерить с помощью таких методов, как двойная поляризационная интерферометрия , круговой дихроизм , SAXS и SANS . Прямая манипуляция молекулами с помощью оптического пинцета или АСМ также может использоваться для мониторинга биологических событий, где силы и расстояния находятся в наномасштабе . Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические события как системы взаимодействующих сущностей, которые можно понять, например, с помощью статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Используя знания и экспериментальные методы из самых разных дисциплин, биофизики часто имеют возможность напрямую наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями отдельных молекул или комплексов молекул.
Вычислительная биология включает в себя разработку и применение аналитических и теоретических методов, математического моделирования и методов вычислительного моделирования для изучения биологических, экологических, поведенческих и социальных систем. Область широко определена и включает в себя основы биологии, прикладной математики , статистики , биохимии , химии, биофизики , молекулярной биологии , генетики , геномики , компьютерных наук и эволюции . Вычислительная биология стала важной частью разработки новых технологий для области биологии. [3] Молекулярное моделирование охватывает все методы, теоретические и вычислительные, используемые для моделирования или имитации поведения молекул . Эти методы используются в областях вычислительной химии , разработки лекарств , вычислительной биологии и материаловедения для изучения молекулярных систем, начиная от небольших химических систем и заканчивая крупными биологическими молекулами и материальными сборками. [4] [5]
Биофизика мембран — это изучение структуры и функции биологических мембран с использованием физических, вычислительных , математических и биофизических методов . Сочетание этих методов может быть использовано для создания фазовых диаграмм различных типов мембран, что дает информацию о термодинамическом поведении мембраны и ее компонентов. В отличие от биологии мембран, биофизика мембран фокусируется на количественной информации и моделировании различных мембранных явлений, таких как образование липидного рафта , скорости флип-флопа липидов и холестерина, белок-липидное сопряжение и влияние функций изгиба и эластичности мембран на межклеточные связи. [6]
Моторные белки — это класс молекулярных моторов , которые могут перемещаться по цитоплазме клеток животных. Они преобразуют химическую энергию в механическую работу путем гидролиза АТФ . Хорошим примером является мышечный белок миозин , который «приводит в движение» сокращение мышечных волокон у животных. Моторные белки являются движущей силой наиболее активного транспорта белков и везикул в цитоплазме . Кинезины и цитоплазматические динеины играют существенную роль во внутриклеточном транспорте, таком как аксональный транспорт , а также в формировании веретенного аппарата и разделении хромосом во время митоза и мейоза . Аксонемальный динеин, обнаруженный в ресничках и жгутиках , имеет решающее значение для подвижности клеток , например, в сперматозоидах , и транспорта жидкости, например, в трахее. Некоторые биологические машины представляют собой двигательные белки, такие как миозин, который отвечает за сокращение мышц , кинезин , который перемещает груз внутри клеток от ядра по микротрубочкам , и динеин , который перемещает груз внутри клеток по направлению к ядру и вызывает аксонемальное биение подвижных ресничек и жгутиков. «[В] результате [подвижная ресничка] представляет собой наномашину, состоящую, возможно, из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины... Гибкие линкеры позволяют мобильным белковым доменам, соединенным ими, привлекать своих партнеров по связыванию и индуцировать аллостерию на больших расстояниях посредством динамики белковых доменов . [7] Другие биологические машины отвечают за выработку энергии, например, АТФ-синтаза , которая использует энергию из протонных градиентов через мембраны для приведения в действие турбиноподобного движения, используемого для синтеза АТФ, энергетической валюты клетки. [8] Другие машины отвечают за экспрессию генов , включая ДНК-полимеразы для репликации ДНК, РНК-полимеразы для производства мРНК , сплайсосому для удаления интронов и рибосому для синтеза белков.. Эти машины и их наномасштабная динамика намного сложнее любых молекулярных машин , которые были искусственно созданы. [9]
Эти молекулярные двигатели являются основными агентами движения в живых организмах. В общих чертах, двигатель — это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическую работу ; например, многие молекулярные двигатели на основе белка используют химическую свободную энергию, высвобождаемую при гидролизе АТФ, для выполнения механической работы. [10] С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить имеющиеся в настоящее время искусственные двигатели.
Ричард Фейнман рассуждал о будущем наномедицины . Он писал об идее медицинского использования биологических машин . Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что некоторые ремонтные машины могут быть когда-нибудь уменьшены в размерах до такой степени, что станет возможным (как выразился Фейнман) « проглотить доктора ». Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года « На дне много места ». [11]
Эти биологические машины могут иметь применение в наномедицине . Например, [12] их можно использовать для идентификации и уничтожения раковых клеток. [13] [14] Молекулярная нанотехнология — это спекулятивная подобласть нанотехнологии, касающаяся возможности создания молекулярных ассемблеров , биологических машин, которые могли бы переупорядочивать материю на молекулярном или атомном уровне. Наномедицина будет использовать этих нанороботов , введенных в организм, для восстановления или обнаружения повреждений и инфекций. Молекулярная нанотехнология является в высшей степени теоретической, стремящейся предвидеть, какие изобретения могут дать нанотехнологии, и предложить повестку дня для будущих исследований. Предлагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы, выходят далеко за рамки текущих возможностей. [15] [16]
Сворачивание белка — это физический процесс , посредством которого белковая цепь приобретает свою нативную трехмерную структуру, конформацию , которая обычно биологически функциональна, быстрым и воспроизводимым образом. Это физический процесс, посредством которого полипептид сворачивается в свою характерную и функциональную трехмерную структуру из случайной спирали . [17] Каждый белок существует как развернутый полипептид или случайная спираль при переводе из последовательности мРНК в линейную цепочку аминокислот . Этот полипептид не имеет какой-либо стабильной (долговременной) трехмерной структуры (левая сторона первого рисунка). По мере того, как полипептидная цепь синтезируется рибосомой , линейная цепь начинает сворачиваться в свою трехмерную структуру. Сворачивание начинает происходить даже во время трансляции полипептидной цепи. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя четко определенную трехмерную структуру, свернутый белок (правая сторона рисунка), известный как нативное состояние . Полученная трехмерная структура определяется последовательностью аминокислот или первичной структурой ( догма Анфинсена ). [18]
Поскольку трехмерная структура белков приносит с собой понимание ее функции и биологического контекста, большие усилия прилагаются для наблюдения за структурами белков. Рентгеновская кристаллография была основным методом, используемым в 20 веке для решения структур белков в их кристаллической форме. С начала 2000-х годов криогенная электронная микроскопия использовалась для решения структур белков, близких к их нативному состоянию, а также для наблюдения за клеточными структурами. [19]
Предсказание структуры белка — это вывод трехмерной структуры белка из его аминокислотной последовательности, то есть предсказание его сворачивания и его вторичной и третичной структуры из его первичной структуры . Предсказание структуры принципиально отличается от обратной задачи проектирования белка . Предсказание структуры белка — одна из важнейших задач биоинформатики и теоретической химии ; оно крайне важно в медицине , разработке лекарств , биотехнологии и разработке новых ферментов ). Каждые два года эффективность текущих методов оценивается в эксперименте CASP (критическая оценка методов прогнозирования структуры белка). Непрерывная оценка веб-серверов прогнозирования структуры белка выполняется общественным проектом CAMEO3D .
Проблема предсказания структур белков заключается в том, что отсутствует физическая модель, которая может полностью предсказать третичные структуры белков по их аминокислотной последовательности. Эта проблема известна как проблема предсказания структуры белка de novo и является одной из величайших проблем современной науки. [20] AlphaFold , программа искусственного интеллекта , способна точно предсказывать структуры белков с генетической гомологией с другими белками, которые были решены ранее. [21] Однако это не решение проблемы de novo , поскольку она опирается на базу данных предыдущих данных, что приводит к ее смещению. [22] Решением проблемы предсказания структуры белка de novo должна быть чисто физическая модель, которая будет имитировать сворачивание белка в его нативной среде, что приведет к наблюдению in silico структур и динамики белка, которые ранее никогда не наблюдались. [23]
Спектроскопические методы, такие как ЯМР, спин -электронный резонанс , спектроскопия комбинационного рассеяния , инфракрасная спектроскопия , круговой дихроизм и т. д., широко используются для понимания структурной динамики важных биомолекул и межмолекулярных взаимодействий .