生物分子的結(jié)構(gòu)可以揭示其功能以及與周圍環(huán)境的相互作用。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)及其對遺傳信息傳遞過程的影響構(gòu)成了一個明顯的例子。在 SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati 發(fā)表在Nucleic Acids Research 上的一項新研究中，實驗數(shù)據(jù)與分子動力學(xué)的計算機(jī)模擬相結(jié)合，以檢查參與蛋白質(zhì)合成的 RNA 片段的構(gòu)象及其對存在于解決方案。該研究為高分辨率定義生理環(huán)境中的生物分子結(jié)構(gòu)提供了一種新方法。
“用于發(fā)現(xiàn) DNA 雙螺旋構(gòu)象的 X 射線晶體學(xué)仍然是研究生物分子結(jié)構(gòu)的最常用技術(shù)之一”，SISSA 物理學(xué)家 Giovanni Bussi 解釋說。“這項技術(shù)使我們能夠以固態(tài)晶體形式重建分子的圖像。然而，這產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)的靜態(tài)視圖，這可能與通常發(fā)現(xiàn)生物分子的水性自然環(huán)境中假設(shè)的結(jié)構(gòu)不一致。”
這就是為什么研究人員在過去十年中開始使用小角度 X 射線散射 (SAXS) 技術(shù)來研究具有高度動態(tài)結(jié)構(gòu)的 RNA 分子的原因。這種方法可以直接用于重現(xiàn)生理環(huán)境的水溶液中。此外，可以修改溶液的組成以研究分子如何適應(yīng)不同的條件。然而不幸的是，SAXS 的分辨率有限，只有納米級。因此，SISSA 的研究員 Giovanni Bussi 和 Mattia Bernetti 決定通過“計算顯微鏡”增強(qiáng) SAXS，將其與分子動力學(xué)模擬相結(jié)合，從而可以在原子水平上對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算機(jī)重建。
“我們研究了參與蛋白質(zhì)合成的核糖體 RNA 片段，”研究人員解釋說。“我們使用了 SAXS 數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自包含不同鹽混合物的水溶液，由圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的 Kathleen B. Hall 提供，并將它們與分子動力學(xué)模擬相結(jié)合。通過這種方式，我們發(fā)現(xiàn)了存在兩種不同的構(gòu)象：一種對蛋白質(zhì)合成過程更緊湊和功能性更強(qiáng)，另一種更廣泛，證實了 RNA 的動態(tài)性質(zhì)。特別是，我們注意到一種結(jié)構(gòu)相對于另一種結(jié)構(gòu)的普遍性如何隨著溶解在溶液中的鹽而變化，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了在與細(xì)胞環(huán)境盡可能相似的環(huán)境中研究這些分子的重要性。”
Bernetti 和 Bussi 得出的結(jié)論是，發(fā)表在Nucleic Acids Research上的研究結(jié)果具有超越特定案例的意義，并表明了一種具有兩個優(yōu)勢的創(chuàng)新方法：“在這項工作中，我們結(jié)合了分子動力學(xué)模擬和 SAXS 實驗數(shù)據(jù)，以獲得高RNA 生物分子的解析結(jié)構(gòu)。這在兩個意義上是一種有用的方法：一方面，它允許將細(xì)節(jié)添加到 SAXS 實驗數(shù)據(jù)中，這實際上給出了非常近似的視圖;另一方面，它允許分子動力學(xué)的結(jié)果如果模擬中使用的模型不夠準(zhǔn)確，則需要進(jìn)行更正。”
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