Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликваны в The Journal of Chemical Physics (ред. – Пресс-служба РНФ). Исследование стало продолжением статьи авторов от 2022 года.
Сахароза — одна из самых распространенных и биологически значимых молекул. Ее молекулярная структура, схематично изображенная на рисунке 1, включает в себя два кольца (глюкопиранозное и фруктофуранозное), соединенных гликозидной связью. Понимание поведения сахарозы в растворах поможет улучшить дизайн лекарств, основанных на углеводных структурах. Раскрытый механизм также поможет оптимизировать производство биоматериалов на основе сахаров и разработать более точные методы компьютерного моделирования для других углеводов.
Работа ученых МТФИ установила новый стандарт точности в компьютерном моделировании углеводов. Она доказала, что даже в привычном сахаре скрыта сложная динамика, и представила научному сообществу надежные методы для ее изучения. Открытие вносит существенный вклад в развитие биохимических исследований, фармакологии и технологий пищевого производства.
В ходе исследования ученые впервые провели моделирование сахарозы в воде на микросекундных масштабах. Это позволило отследить редкие изменения ее структуры. Обнаружено, что молекула сахарозы в растворе существует в трех основных конфигурациях (M0, M1, M2), изображенных на рисунке 2, причем M0 соответствует кристаллической структуре и является наиболее стабильной. Также ученые показали, что наблюдаемая геометрия молекулы сахарозы не зависит от ее концентрации в воде, но время жизни каждого конформера (стабильной конфигурации) увеличивается в более концентрированных растворах.
«Вычислительные методы молекулярной динамики за последние десятилетия зарекомендовали себя как эффективный инструмент для предсказания стабильных молекулярных конформаций. Однако большинство предшествующих исследований было сосредоточено на разбавленных растворах и коротких траекториях, что ограничивало понимание конформационной динамики. Мы же изучили конформационную динамику сахарозы в водном растворе на масштабах микросекунд в молекулярном моделировании»,— рассказал первый автор статьи, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ Владимир Дещеня.
Ученые проанализировали траектории движения атомов в растворах сахарозы разной концентрации (20%, 30% и 50%). Для проверки результатов сравнивались три компьютерные модели межатомных взаимодействий. Основное внимание уделили тому, как изменяется гликозидная связь и насколько долго сохраняются конфигурации молекулы сахарозы. Наиболее точной при описании динамики сахарозы оказалась модель OPLS-AA/1.14*CM1A-LBCC.
«Результаты исследования демонстрируют, что современные методы молекулярного моделирования не только согласуются с экспериментальными подходами, такими как ЯМР- и УФ-спектроскопии, но и позволяют выйти за пределы их возможностей. В будущем наша работа открывает возможности для моделирования более сложных углеводных систем, включая полисахариды, и их взаимодействия с белками. Конечно, подобные расчеты требуют значительных вычислительных ресурсов и передовых компетенций»,— объяснил исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ Николай Кондратюк.
