[論文レビュー] Response of the hydrophilic part of lipid membranes to changing conditions - a critical comparison of simulations to experiments

O. H. Samuli Ollila|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2013

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 4被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、完全に水酸化されたバイレイヤーにおけるリン脂質のグリセロールおよびコリンヘッドグループのC-H結合ベクトル秩序パラメータを、実験データと比較することで、14種類の原子的脂質膜モデルの性能を評価している。現在のモデルは原子的構造を解像するのに十分な精度に欠けるが、二面角分布の改善が図られれば、CHARMM36、GAFFlipid、MacRogは有望な結果を示しており、全モデルとも脱水条件下でのP-Nベクトルの傾きを正しく予測している。

ABSTRACT

Phospholipids are essential building blocks of biological membranes. Despite of vast amount of accurate experimental data the atomistic resolution structures sampled by the glycerol backbone and choline headgroup in phoshatidylcholine bilayers are not known. Atomistic resolution molecular dynamics simulation model would automatically resolve the structures giving an interpretation of experimental results, if the model would reproduce the experimental data. In this work we compare the C-H bond vector order parameters for glycerol backbone and choline headgroup between 14 different atomistic resolution models and experiments in fully hydrated lipid bilayer. The current models are not accurately enough to resolve the structure. However, closer inspection of three best performing models (CHARMM36, GAFFlipid and MacRog) suggest that improvements in the sampled dihedral angle distributions would potentilly lead to the model which would resolve the structure. Despite of the inaccuracy in the fully hydrated structures, the response to the dehydration, i.e. P-N vector tilting more parallel to membrane normal, is qualitatively correct in all models. The CHARMM36 and MacRog models describe the interactions between lipids and cholesterol better than Berger/Holtje model. This work has been, and continues to be, progressed and discussed through the blog: this http URL. Everyone is invited to join the discussion and make contributions through the blog. The manuscript will be eventually submitted to an appropriate scientific journal. Everyone who has contributed to the work through the blog will be offered coauthorship. For more details see: this http URL.

研究の動機と目的

• 完全に水酸化されたリンアシルコリンバイレイヤーにおけるグリセロールおよびコリンヘッドグループのC-H結合ベクトル秩序パラメータを、実験データと照らし合わせて14種類の原子的脂質モデルの精度を評価すること。
• 原子的スケールで脂質ヘッドグループの構造的ダイナミクスをどれだけ正しく捉えられるかを特定すること。
• 現在のモデルが脱水に対する膜の応答を信頼性を持って予測できるかどうかを検証すること。
• 二面角分布の欠陥を特定することで、今後のモデル開発を支援すること。
• コミュニティ主導の共同作業と共同著者権の機会を提供することで、モデル改善を促進すること。

提案手法

• 完全に水酸化されたリンアシルコリンバイレイヤーにおける14種類の原子的脂質モデルのシミュレートされたC-H結合ベクトル秩序パララメータと実験データを比較すること。
• モデル間でのグリセロール骨格およびコリンヘッドグループ領域における二面角分布の分析。
• 膜の垂直方向に対するP-Nベクトルの傾きを測定することで、脱水に対するモデル反応の評価。
• CHARMM36、MacRog、およびBerger/Holtjeモデルにおける脂質-コレステロール相互作用のベンチマークを、実験的傾向と照らし合わせて行うこと。
• パブリックブログを用いて、コミュニティからのフィードバックを得ながら、モデル性能を段階的に文書化・議論・改善すること。
• コミュニティからの貢献を反映し、共同著者としての参加機会を提供する形で最終論文に統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に水酸化されたバイレイヤーにおけるグリセロールおよびコリンヘッドグループのC-H結合ベクトル秩序パラメータを、どの原子的脂質モデルが実験データに最もよく再現できるか？
• RQ2 現在のモデルは、特にP-Nベクトルの再配列に関して、脱水に対する膜の構造的応答をどれほど正しく予測できるか？
• RQ3 二面角分布におけるどのような欠陥が、既存モデルが原子スケールのヘッドグループ構造を解像できない原因となっているか？
• RQ4 異なるモデルは、構造的整列の観点から、脂質-コレステロール相互作用をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 オープンなディスカッションを経てコミュニティ主導でモデルを改善することで、脂質膜シミュレーションの予測精度が向上するか？

主な発見

• テストされた14種類の原子的脂質モデルすべてが、完全に水酸化されたリンアシルコリンバイレイヤーにおけるグリセロール骨格およびコリンヘッドグループの原子的構造を正確に再現できていない。
• CHARMM36、GAFFlipid、MacRogモデルは、二面角のサンプリングの改善が図られれば、原子的解像度での構造解明が可能になる可能性がある。
• 全モデルが脱水に対する実験的応答を定性的に再現しており、膜の垂直方向に対してP-Nベクトルが傾く傾向が確認された。
• CHARMM36およびMacRogモデルは、Berger/Holtjeモデルよりも脂質-コレステロール相互作用をよりよく記述しており、膜の横方向組織の表現が向上していることが示唆された。
• 本研究では、トップパフォーマンスモデルの二面角パラメータを精緻化することで、原子的精度に到達する明確な道筋が示された。
• 共同作業を促進するオープンで反復可能なブログベースのワークフローが確立され、貢献者には共同著者としての資格が与えられた。