Компьютерное моделирование настоящей жизни

Меня очень впечатлило то исследование, о котором недавно писал Александр Сергеев в заметке Построена компьютерная модель живого организма на атомном уровне.

Прочитав заголовок, я вначале подумал, что тут явно какое-то преувеличение, но потом стало понятно, что действительно речь идет о настоящем моделировании процесса жизни на уровне движения отдельных атомов.

Из пресс-релиза было не вполне понятно, какие именно проявления жизни удалось обнаружить. Все-таки промежуток времени мал, и если бы исследователи сообщили о том, что они построили статическую модель вируса и наблюдали только тепловые колебания отдельных атомов, это было бы далеко не так интересно. Поведение отдельных макромолекул сейчас исследуется вдоль и поперек.

Чтение оригинала прояснило картину.

Авторами было проведено 5 различных "прогонов": только оболочка, только вирион и, наконец, полностью вирион+оболочка. Во всех случаях речь вирус был погружен в небольшой объемчик воды с растворенными в нем ионами.
В каждом заходе было промоделировано от 10 до 13 наносекунд жизни этого вируса (шаг по времени составлял 1 фс; 10 нс отвечают 10 миллионам шагов). Но даже в течение такого небольшого промежутка времени действительно были обнаружены явления, которые иначе как "физиология вируса" и не назовешь.

Например, было обнаружено, что оболочка вируса вполне хорошо пропускает воду. Типичные потоки воды внутрь и наружу были порядка 800 молекул за наносекунду. Стандартное поведение вируса было такое: сразу после запуска моделирования концентрация воды внутри вируса резко падала, но затем постепенно возрастала и через нескольких наносекунд стабилизировалась на чуть более высоком значении, чем первоначальное. В случае одной только оболочки стабилизации количества воды не происходило: т.е. действительно наличие РНК изменяет молекулярные потоки сквозь оболочку.

Еще одним важным наблюдением были корреляции между колебаниями отдельных частей вируса. Вообще, тепловое движение хаотично, но если отдельные элементы связаны определенным образом, то их тепловые колебания могут оказаться очень скоррелированными. Именно такие корреляции были найдены и в колебаниях вируса. Т.е. наблюдалось буквально "организованное движение" внутри вируса.

Очень интересны и электрические свойства вируса. Вообще, РНК должно иметь в среднем нескомпенсированный отрицательный заряд. Это наблюдалось и в данной работе, типичное значения заряда РНК составляло примерно -700 элементарных зарядов.

Для того, чтобы наиболее близко промоделировать реальность, в раствор, в котором плавал вирус, добавили ионы магния Mg2+ и хлора Cl-. Выяснилось, что ионы магния усаживались на РНК, что и стоило ожидать, а ионы хлора довольно свободно перемещались как внутри вируса, так и снаружи. Однако было замечено, что небольшая часть ионов хлора связывается изнутри с оболочкой. Это приводит к электростатическим силам, которые как бы отталкивают оболочку от центральной РНК.

Авторы приводят и карту электростатического потенциала внутри вируса (с разностью потенциала в несколько вольт между различными частями вируса). Наверняка, она тоже многое может рассказать специалисту. Моделирование одной только оболочки без вириона показало, что она сама по себе неустойчива, и постепенно начинает схлопываться. За 13 нс весь процесс коллапса оболочки проследить не удалось, однако было видно, что оболочка принимала неправильную форму: отдельные субъединицы оболочки теряли свою симметричную взаимную ориентацию и начинали двигаться внутрь.

Авторы честно признают, что на основании этого пока нельзя сделать вывод о том, к чему в конце концов этот коллапс приведет. Возможно, в конце получится цельная стабильная структура, не обладающая исходной симметрией, а возможно отдельные субъединицы оболочки просто разойдутся и все.

Тот факт, что отдельно вирион сам по себе стабилен, а отдельно оболочка -- неустойчива, означает, что в процессе жизни вирион сам выстраивает из окружающих материалов себе оболочку (а вовсе не находит готовую пустую оболочку для себя). Очевидно, этот процесс очень долгий и в рамках этого моделирования его не увидишь. Однако кое-какие выводы относительно справедливости уже выдвинутых теоретических предположений можно сделать. Например, моделирование показало, что исходная симметрия оболочки из-за тепловых колебаний вовсе не сохраняется при комнатной температуре. Это значит, что те гипотезы относительно построения оболочки, которые существенно опираются на высокую симметрию, по-видимому, неверны. Конечно, очень хотелось бы въявь увидеть процесс такого построения.

В этой работе на моделирование одной наносекунды требовались полные сутки компьютерного времени на 256 вычислительных узлах суперкомпьютерного центра. Но будем надеяться, что прогресс в вычислительной технике, а также в алгоритмах молекулярной динамики не остановится, так что наверняка в ближайшие годы речь пойдет уже о микросекундах жизни и больше.

Жутко интересно посмотреть, как же действительно живут живые организмы на уровне атомного движения!

[Комментарии на Элементах]