Biopolym. Cell. 2026; 42(Special Issue):45.
Біоінформатика та ШІ в біомедичних дослідженнях та розробці
Універсальний алгоритм in silico для 3D-моделювання та друку макромолекулярних комплексів: вивчення ланцюга транспорту мітохондріальних електронів
- Національний університет «Києво-Могилянська академія»
вул. Г. Сковороди 2, Київ, Україна, 04070
Abstract
Мета. Мембранні органелні комплекси надзвичайно складні для сприйняття та просторового вивчення, що призводить до надто спрощених уявлень про їхню структуру та функцію. Сучасні бази даних містять вичерпну інформацію про молекулярну структуру; Метою цієї роботи було розробити та валідувати універсальний алгоритм для перетворення біоінформатичних даних у фізично точні 3D-моделі, придатні для друку СЛА, використовуючи ланцюг транспорту мітохондріальних електронів як кейс-дослідження. Методи. Першим кроком було отримати необхідні структури у форматі.pdb з баз даних PDB і PubChem, а потім оптимізувати ліпідні та малі молекулярні конформації в Avogadro2, використовуючи силове поле MMFF94. На другому етапі молекулярні структури були адаптовані для друку СЛА в середовищі ChimeraX. Третій етап включав просторове моделювання в Blender: побудову мембранної топології з фізіологічною кривизною (~17 нм радіус) та процедурним ліпідним розташуванням. Післяобробка надрукованих деталей включала промивання в ізопропіловому спирті, видалення опор і остаточну УФ-полімеризацію. Результати. Застосування запропонованого алгоритму дозволило успішно моделювати, а також друкувати фрагмент мітохондріальної кристи, що містить комплекси ETC та димер синтази ATP. Застосування У процедурному моделюванні Blender ліпіди розподілялися по топології підготовленої мембрани у пропорціях, близьких до фізіологічних рівнів (42:42:16 для фосфатидилхоліну, фосфатидилетанаміну та кардіоліпіну відповідно). Крім того, для візуалізації хімічних градієнтів (pH) та відмінностей у басейнах ATP/ADP без перевантаження геометрії У основній моделі використовували літофан, у якому змінна інтенсивність світла залежно від товщини полімеру призводить до створення зображення. Висновки. Розроблений алгоритм передачі даних (PDB/OPM → Avogadro2 → ChimeraX → Blender → СЛА друкарня) є універсальним і ефективним інструментом для швидкого фізичного прототипування складних біомолекулярних систем. Запропонована методологія дозволяє адаптувати модель до можливостей технологій 3D-друку при збереженні наукової точності (стехіометрія, позиціонування та конформація). Цей алгоритм можна безпосередньо застосовувати для моделювання, а також для друку інших багатокомпонентних біологічних об'єктів, таких як вірусні оболонки, хлоропластні тілакоїди або бактеріальні мембрани, значно розширюючи інструментарій структурної біології.
Keywords: ланцюг переносу електронів, 3D-друк, СЛА
Повний текст: (PDF, англійською)
