Grazie a un nuovo metodo che combina diversi livelli di risoluzione è stato possibile per la prima volta simulare la membrana mitocondriale di un intero organello. Questo approccio apre la strada a simulazioni di intere cellule a livello molecolare.
Grazie a un metodo che combina diversi livelli di risoluzione in una simulazione al computer di membrane biologiche, scienziati dell’Università di Groningen hanno simulato per la prima volta la membrana cellulare di un mitocondrio intero.
Il loro algoritmo ha permesso di ingrandire la germinazione della membrana indotta da una tossina e di simulare una membrana lipidica mitocondriale nella sua interezza.
Le simulazioni di dinamica molecolare sono un potente strumento per studiare i movimenti e le interazioni di atomi e molecole. Tuttavia, in molti processi biologici, sono importanti i cambiamenti su larga scala, ad esempio, nella forma della membrana molto più difficili da simulare per via della potenza di calcolo che richiedono.
Questi cambiamenti di forma sono di fondamentale importanza per il funzionamento della cellula
spiega Siewert-Jan Marrink, professore di Dinamica molecolare all’Università di Groningen che prosegue
Tuttavia, la scala temporale e di lunghezza di questi cambiamenti di forma della membrana sono troppo grandi per le simulazioni a una risoluzione molecolare.
Anche se un aumento della potenza di calcolo consentirebbe simulazioni più complesse e più lunghe, le strutture cellulari come i mitocondri sono ancora fuori portata.
Ecco perché il gruppo Molecular Dynamics ha sviluppato un algoritmo che collega le modifiche su larga scala alle simulazioni a livello molecolare. Per i mitocondri, hanno iniziato con una mappa della densità partendo dalla microfotografia elettronica. Le densità sono state poi tradotte in strutture lipidiche e queste sono state usate come input per una simulazione di dinamica molecolare con il campo di forza Martini Coarse Grain (CG), precedentemente sviluppato da Marrink.
La parte difficile è posizionare i lipidi nell’orientamento corretto in questa mappa della densità, che è particolarmente impegnativa soprattutto nelle aree piegate
aggiunge Wria Pezeshkian, ricercatrice post-doc nel team di Marrink e co-autorice del lavoro.
L’algoritmo consente agli utenti di aggiungere diversi tipi di lipidi alla membrana, e offre un livello di impacchettamento davvero realistico.
In particolare la struttura simulata conteneva più di cinque milioni di lipidi, il che significa che la simulazione ha trattato circa 80 milioni di particelle, come riportato dai ricercatori.
Il nostro obiettivo finale è simulare un’intera cellula eucariotica e zoomare su parti specifiche di questo oggetto
afferma Marrink.
Ciò è attualmente fuori portata, anche se l’attuale sistema consente già la simulazione di oggetti di grandi dimensioni all’interno di una cellula, come il reticolo endoplasmatico o l’apparato del Golgi. Probabilmente in futuro simuleremo anche un globulo rosso.
Una semplice cellula sintetica potrebbe presto essere a portata di mano. Marrink è coinvolto in un progetto finalizzato alla creazione di una cellula sintetica e la sua capacità di simulare processi come la divisione cellulare aiuterà di certo il progetto.
