Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) при помощи компьютерного моделирования изучили, как молекулы сахарозы — обычного столового сахара — меняют форму в воде. Поведение молекулы сахара в воде играет ключевую роль в биохимических процессах, пищевой промышленности и фармакологии.
Результаты работы, опубликованные в The Journal of Chemical Physics, помогут лучше понять поведение углеводов в биологических системах и при разработке новых лекарств и материалов. Исследование стало продолжением статьи авторов от 2022 года.
Сахароза — одна из самых распространенных и биологически значимых молекул. Ее молекулярная структура, схематично изображенная на рисунке 1, включает в себя два кольца (глюкопиранозное и фруктофуранозное), соединенных гликозидной связью. Понимание поведения сахарозы в растворах поможет улучшить дизайн лекарств, основанных на углеводных структурах. Раскрытый механизм также поможет оптимизировать производство биоматериалов на основе сахаров и разработать более точные методы компьютерного моделирования для других углеводов.
Работа ученых МТФИ установила новый стандарт точности в компьютерном моделировании углеводов. Она доказала, что даже в привычном сахаре скрыта сложная динамика, и представила научному сообществу надежные методы для ее изучения. Открытие вносит существенный вклад в развитие биохимических исследований, фармакологии и технологий пищевого производства.
Сахароза — одна из самых распространенных и биологически значимых молекул. Ее молекулярная структура, схематично изображенная на рисунке 1, включает в себя два кольца (глюкопиранозное и фруктофуранозное), соединенных гликозидной связью. Понимание поведения сахарозы в растворах поможет улучшить дизайн лекарств, основанных на углеводных структурах. Раскрытый механизм также поможет оптимизировать производство биоматериалов на основе сахаров и разработать более точные методы компьютерного моделирования для других углеводов.
Работа ученых МТФИ установила новый стандарт точности в компьютерном моделировании углеводов. Она доказала, что даже в привычном сахаре скрыта сложная динамика, и представила научному сообществу надежные методы для ее изучения. Открытие вносит существенный вклад в развитие биохимических исследований, фармакологии и технологий пищевого производства.
Рисунок 1. Геометрия молекулы сахарозы в кристалле, известная из экспериментальных работ, использующих методы рентгеновской дифракции. Буквами g и f отмечены глюкопиранозное и фруктофуранозное кольца, вращающиеся вокруг гликозидной связи C1g-O1g-C2f
В ходе исследования ученые впервые провели моделирование сахарозы в воде на микросекундных масштабах. Это позволило отследить редкие изменения ее структуры. Обнаружено, что молекула сахарозы в растворе существует в трех основных конфигурациях (M0, M1, M2), изображенных на рисунке 2, причем M0 соответствует кристаллической структуре и является наиболее стабильной. Также ученые показали, что наблюдаемая геометрия молекулы сахарозы не зависит от ее концентрации в воде, но время жизни каждого конформера (стабильной конфигурации) 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. Мы же изучили конформационную динамику сахарозы в водном растворе на масштабах микросекунд в молекулярном моделировании»,— рассказал первый автор статьи, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ Владимир Дещеня.
«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. Мы же изучили конформационную динамику сахарозы в водном растворе на масштабах микросекунд в молекулярном моделировании»,— рассказал первый автор статьи, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ Владимир Дещеня.
Рисунок 2. Поверхность свободной энергии, характеризующая переходы между конформерами гликозидной связи молекулы сахарозы в воде. Числа соответствуют характерным временам жизни конформеров, взвешенное среднее которых совпадает с экспериментальными измерениями
Ученые проанализировали траектории движения атомов в растворах сахарозы разной концентрации (20%, 30% и 50%). Для проверки результатов сравнивались три компьютерные модели межатомных взаимодействий. Основное внимание уделили тому, как изменяется гликозидная связь и насколько долго сохраняются конфигурации молекулы сахарозы. Наиболее точной при описании динамики сахарозы оказалась 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-спектроскопии, 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»,— объяснил исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ Николай Кондратюк.
«Результаты исследования демонстрируют, что современные методы молекулярного моделирования не только согласуются с экспериментальными подходами, такими как ЯМР- и УФ-спектроскопии, 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»,— объяснил исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ Николай Кондратюк.
Оптимизация вычислительной производительности для получения длительных МД-траекторий выполнена при поддержке РНФ №20-71-10127. Работа по сравнению моделей взаимодействия для водных растворов, а также развитие методов расчета поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения №075-03-2025-662 от 17 января 2025 года. Расчеты выполнены на Soft Cluster Центра вычислительной физики МФТИ.