مدل درشت‌ دانه پروتئين ها با استفاده از مختصات تجمعي باقي‌ مانده‌ها

Coarse-graining of proteins using collective coordinates of the residues

بسياري از پديده‌هاي سلولي و بيومولكولي در مقياس‌هاي طولي و زماني بزرگ رخ مي‌دهند كه اين امر شبيهسازي كامپيوتري آن‌ها را در مقياس اتمي غيرممكن مي‌سازد. ازاين‌رو، درشت دانهسازي به‌مثابه پلي براي كوتاه كردن فاصله در مقياس طولي و زماني بين يك پروسه بيولوژيكي و مدل اتمي آن مورد توجه قرارگرفته است. علاوه بر اين، در بسياري از حالت‌ها مشاهده مي گردد كه ديناميك يك سيستم بر حسب مختصات تجمعي بهتر بيان مي‌گردد. لذا در اين مطالعه يك روش درشت دانه سازي براي ديناميك پروتئينها با استفاده از مختصات تجمعي باقي مانده ها به جاي مختصات اتمي معرفي مي‌گردد. در اين روش يك نگاشت معكوس پذير مستقل از زمان براي ارتباط مختصات اوليه و مختصات مركز جرم تعريف شده و سپس، فضاي پيكربندي سيستم تبديل يافته به درجات آزادي اصلي و وابسته تقسيم مي‌گردد. با فرض اينكه درجات آزادي اصلي كندتر از درجات آزادي وابسته ‌باشند، جابجايي اين درجات آزادي نسبت به متغير زمان بسط تيلور داده شده و نهايتاً اين روش منجر به ايجاد ماتريس سختي، اصطكاك و جرم براي سيستم درشت دانه بر حسب مختصات تجمعي با قي مانده ها مي‌شود. دو مختصات مركز جرم و مركز مقاومت هيدروديناميكي باقيمانده ها به عنوان مختصات تجمعي در نظر گرفته شد. با اعمال اين روش در مطالعه رفتار ديناميكي چند پروتئين نشان داده شد كه اين روش كارايي فوق العاده در پيشبيني مود و نرخ رهايش پروتئين‌ها دارد. همچنين نشان داده شد مختصات مركز مقاومت هيدروديناميكي گزينه مطلوب تري جهت انتخاب براي مختصات تجمعي مي باشد.

Many phenomena in molecular biophysics happen over time and length scales that are inaccessible by fully atomistic computer simulations. Therefore, coarse-graining has become a common strategy for bridging the gap in time and length scale between the atomistic simulation and biological processes. Furthermore, in many cases the system dynamics is better represented in terms of collective coordinates. This study is concerned with a rigorous coarse-graining method for dynamics of linear systems using collective coordinates of the resiudes rather than coordinates of individual atoms. In this method an invertible linear time-independent map is considered to relate the original displacements to the collective coordinates. Then, the conformational space of the transformed system is divided into master and slave degrees of freedom. Under the assumption that the masters are slower than the slaves and by expanding the masters’ displacements in Taylor series with respect to time variable, the method results in effective stiffness, friction and mass for the coarse-grained system in terms of collective coordinates of the residues. Center of mass and hydrodynamic center of reaction coordinates of the residues are considered as collective coordinates. Application of the method to finding the relaxation dynamics of various proteins shows that using center of mass coordinates significantly improves the results.