Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) провели компьютерное моделирование, чтобы глубоко изучить, как молекулы обычного столового сахара — сахарозы — изменяют свою форму в водной среде. Этот процесс крайне важен, поскольку поведение сахара в воде играет ключевую роль в многочисленных биохимических реакциях, а также имеет огромное значение для пищевой промышленности и разработки фармацевтических препаратов.
Результаты их исследования, опубликованные в авторитетном научном издании The Journal of Chemical Physics, значительно расширят наше понимание углеводов в живых системах и будут способствовать созданию новых лекарственных средств и инновационных материалов. Эта работа является продолжением предыдущих изысканий тех же авторов, датированных 2022 годом.
Сахароза является одной из наиболее распространенных и биологически значимых молекул. Её структура состоит из двух соединенных колец — глюкопиранозного и фруктофуранозного, связанных гликозидной связью. Более глубокое понимание конформационных изменений сахарозы в растворах позволит значительно усовершенствовать разработку медикаментов на основе углеводов, оптимизировать процессы производства биоматериалов с использованием сахаров и создать более совершенные методы компьютерного моделирования для других углеводов.
Исследование ученых МФТИ устанавливает новую планку точности в области компьютерного моделирования углеводов. Оно убедительно показывает, что даже в такой знакомой субстанции, как сахар, кроется сложная и динамичная внутренняя механика, предлагая научному сообществу надежные инструменты для её детального изучения. Это открытие вносит весомый вклад в развитие биохимической науки, фармакологии и передовых технологий пищевой индустрии.
Глубокое погружение в микросекундные изменения
Впервые в рамках этого исследования было выполнено моделирование поведения сахарозы в водном растворе на микросекундном временном масштабе, что позволило зафиксировать редкие и быстротечные структурные изменения молекулы. Было выявлено, что в растворе молекула сахарозы существует преимущественно в трех конформациях (M0, M1, M2), при этом M0, соответствующая кристаллической структуре, оказалась наиболее стабильной. Также ученые установили, что общая геометрия молекулы сахарозы не зависит от её концентрации в воде, однако продолжительность существования каждой стабильной конфигурации (конформера) 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. Наше исследование позволило детально изучить конформационную динамику сахарозы в водном растворе на микросекундных масштабах с помощью молекулярного моделирования»,
В ходе работы были проанализированы траектории движения атомов сахарозы в растворах с концентрациями 20%, 30% и 50%. Для обеспечения достоверности результатов были сопоставлены три различные компьютерные модели межатомных взаимодействий. Главное внимание уделялось изменению гликозидной связи и стабильности различных конформаций молекулы. Наиболее точной для описания динамики сахарозы была признана 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-спектроскопия, 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»,
Исследование было проведено при финансовой и технической поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ. Расчеты выполнялись на мощностях Soft Cluster Центра вычислительной физики МФТИ.
