طراحی ساختار نانودیسک از فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه (DPSM) و کلسترول (CHOL) و مطالعه شکل گیری آن: شبیه سازی دینامیک مولکولی دانه درشت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آموزشی بیوفیزیک، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه تربیت مدرس، شهر تهران، کشور ایران

2 دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

نانودیسک‌های دولایه ساختارهایی هستند که از دولایه غشایی فسفولیپیدی تشکیل شده‌اند و بین دولایه محتویات یا مولکول‌های آبی وجود ندارد. نانودیسک‌های چهارلایه در واقع شبیه سلول طبیعی هستند که از دو طرف بر آن فشار وارد شده است مثل ساختار گلبول قرمز خون که از دوطرف فرورفتگی دارد. ساختار نانودیسک قادر است داروهای محلول در آب را در بخش سطحی آبدوست خود و داروهای محلول در چربی را در داخل دو لایه خود که محیط آبگریز است، پوشش دهد. سنتز نانودیسک‌ها در محیط آزمایشگاهی و تجربی بسیار زمان‌بر و هزینه‌بر است. لذا در این تحقیق ساختار نانودیسکی با ترکیبی از مولکول‌های اسفنگومیلین جنین جوجه (DPSM) و کلسترول (CHOL) طراحی و ساخته شد. که برای انجام این کار از رویکرد شبیه‌سازی دینامیک مولکولی استفاده شد. بعد از انجام فرایند شبیه سازی، نتایج و آنالیزهای بدست آمده از مطالعه شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان داد که مولکول‌های انتخابی ساختار نانودیسکی ایجاد کردند که ناشی از خواص شیمی-فیزیکی فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه و مولکول کلسترول است. لازم به ذکر است که فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه ساختار هندسی مخروطی و همچنین گروه سری بزرگتری نسبت به لیپیدهای دیگر داشته که موجب می‌شود که تمایل این مولکول به ایجاد ساختار نانودیسکی زیاد شود. مولکول کلسترول در بین فسفولیپیدهای اسفنگومیلین جنین جوجه قرار می‌گیرد و با آنها میانکنش برقرار می‌کند. این ویژگی مولکول کلسترول باعث افزایش پایداری ساختار نانودیسک می‌شود. آنالیزهای انرژی شامل انرژی کل، انرژی میانکنش‌های واندروالس و الکترواستاتیک نشان دادند که ساختار نانودیسک ایجاد شده به ثبات و پایداری مناسبی رسیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A nanodisc structure design from sphingomyelin of chicken egg phospholipid (DPSM) and cholesterol (CHOL) and its formation study: a coarse-grained molecular dynamics simulation

نویسندگان [English]

  • jalil parchekani choozaki 1
  • Majid Taghdir 2

1 Department of biophysics, Biological sciences faculty, Tarbiat Modares University, Tehran,Iran

2 Tarbiat Modares University

چکیده [English]

Double-layer nanodiscs are structures made up of phospholipids double-layer membrane and do not exist between the double-layer of any contents or water molecules. Quadruple nanodiscs are actually like a normal cell that pushes on both sides of the body, such as the red blood cell structure that is pushing on both sides. The structure of nanodisc can cover water-soluble drugs in its hydrophilic superficial and fat-soluble drugs within its two layers, which is a hydrophobic environment. Synthesis of nanodiscs in experimental environments is time-consuming and costly. Therefore, in this research, the nanodisc structures from Egg sphingomyelin (DPSM) and Cholesterol (CHOL) molecules were designed and constructed. In order to do this goal, a molecular dynamics simulation approach was used. The results and analyses obtained from the simulations showed that selective molecules created a nanodiscs structure that resulted from the physicochemical properties of the DSPC and cholesterol molecules. It should be noted that the DSPC molecule has a cone-shaped geometric structure as well as a larger group than other lipids, which makes the molecule's tendency increase to create a nanodisc structure. The cholesterol molecule is located in the DPSM phospholipids and interacts with them. This feature of the cholesterol molecule increases the stability of the nanodiscs structures. Energy analyzes including total energy, van der Waals and electrostatic interactions energy showed that the created nanodisc structures, suitably reached to final structural stability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: molecular dynamics simulation
  • nanodisc
  • the formation of nanodiscs
  • cholesterol
  • phospholipid

طراحی ساختار نانودیسک از فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه (DPSM) و کلسترول (CHOL) و مطالعه شکل گیری آن: شبیه سازی دینامیک مولکولی دانه درشت

جلیل پرچکانی چوزکی و مجید تقدیر*

ایران، تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده علوم زیستی، گروه بیوفیزیک

تاریخ دریافت: 19/12/1397          تاریخ پذیرش: 19/01/1398

چکیده

نانودیسکهای دولایه ساختارهایی هستند که از دولایه غشایی فسفولیپیدی تشکیل شده­اند و بین دولایه محتویات یا مولکولهای آبی وجود ندارد. نانودیسکهای چهارلایه در واقع شبیه سلول طبیعی هستند که از دو طرف بر آن فشار وارد شده است مثل ساختار گلبول قرمز خون که از دوطرف فرورفتگی دارد. ساختار نانودیسک قادر است داروهای محلول در آب را در بخش سطحی آبدوست خود و داروهای محلول در چربی را در داخل دو لایه خود که محیط آبگریز است، پوشش دهد. سنتز نانودیسکها در محیط آزمایشگاهی و تجربی بسیار زمان­بر و هزینه­بر است. لذا در این تحقیق ساختار نانودیسکی با ترکیبی از مولکولهای اسفنگومیلین جنین جوجه (DPSM) و کلسترول (CHOL) طراحی و ساخته شد. که برای انجام این کار از رویکرد شبیه­سازی دینامیک مولکولی استفاده شد. بعد از انجام فرآیند شبیه سازی، نتایج و آنالیزهای به دست آمده از مطالعه شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان داد که مولکولهای انتخابی ساختار نانودیسکی ایجاد کردند که ناشی از خواص شیمی-فیزیکی فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه و مولکول کلسترول است. لازم به ذکر است که فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه ساختار هندسی مخروطی و همچنین گروه سری بزرگتری نسبت به لیپیدهای دیگر داشته که موجب می­شود که تمایل این مولکول به ایجاد ساختار نانودیسکی زیاد شود. مولکول کلسترول در بین فسفولیپیدهای اسفنگومیلین جنین جوجه قرار می­گیرد و با آنها میانکنش برقرار می­کند. این ویژگی مولکول کلسترول باعث افزایش پایداری ساختار نانودیسک می­شود. آنالیزهای انرژی شامل انرژی کل، انرژی میانکنشهای واندروالس و الکترواستاتیک نشان دادند که ساختار نانودیسک ایجاد شده به ثبات و پایداری مناسبی رسیده است.

واژه های کلیدی: شبیه سازی دینامیک مولکولی، نانودیسک، شکل گیری نانودیسکها، کلسترول، اسفنگومیلین جنین جوجه

* نویسنده مسئول، تلفن: 02182884717 ، پست الکترونیکی: [email protected]

مقدمه

 

لیپیدها زیست مولکولهای متنوعی هستند که از نظر خواص فیزیکی به ویژه حلالیت با هم مشابهت دارند. خاصیت اصلی آنها نامحلول بودنشان در آب است. این مولکولها در ساختار غشای سلول وجود دارند، در داخل میتوکندریها یافت می­شوند، در ساختمان لیپوپروتئینها وجود دارند و حتی وظیفه نقل و انتقال چربیها را به عهده دارند. لیپیدها به انواع مختلفی تقسیم بندی می­شوند (1، 2 و 17). فسفولیپیدها گروه ویژه­ و تخصص یافته­ای از چربیها هستند که کارهای متنوعی در سلول انجام می دهند که شامل شرکت در ساختار و کار غشای سلولی، شرکت در انعقاد خون و ایجاد اسید آراشیدونیک که پروستا گلاندینها را می سازد. به طور کلی دو نوع فسفولیپید وجود دارد (50). اگر در ساختار آنها گلیسرول وجود داشته باشد به آنها گلیسروفسفولیپیدها یا فسفوگلیسرید می­گویند که مهمترین نوع فسفولیپیدهاست. اگر در ساختار آنها اسفنگوزین باشد به آنها اسفنگوفسفولیپید می­گویند. هر دو نوع اجزاء ساختاری غشاها هستند و در تولید سیگنالهای عصبی و داخل سلولی نقش دارند(8). گلیسرو فسفولیپیدها متشکل از یک مولکول گلیسرول و دو اسید چرب و یک گروه فسفات بر روی کربن ۳ می باشد که به این مجموعه اسید فسفاتیدیک یا فسفاتیدیل گویند که پایه ای برای بیوسنتز فسفولیپیدها می باشد. به عبارت دیگر ساده ترین نوع فسفولیپیدها اسید فسفاتیدیک می­باشد (45). وقتی فسفولیپیدها در محیط آبی در کنار هم جمع می شوند، می توانند انواع ساختارها مثل ساختارهای دولایه­ای، لیپوزوم کروی، ساختار میسلی، نانودیسک و ... را ایجاد کنند (39). علاوه بر این برای تشکیل یکسری از این ساختاها مثل میسل نیاز است که لیپیدها ابتدا به یک غلظت خاصی (غلظت بحرانی میسل) برسند تا ساختار تشکیل شود. یکی از ساختارهایی که از تجمع فسفولیپیدها حاصل می­شود ساختارهای نانودیسک دایره­ای است (12). ساختارهای نانودیسک رفتاری شبیه به غشای سلول دارند. همچنین این ساختارها را می­توان در بحث انتقال دارو و مهندسی طراحی دارو استفاده کرد (10). به طوری که امروزه خیلی از داروها را برروی ساختارهای نانودیسک تثبیت می­کنند و آنها را داخل بدن بیمار می­فرستند (32). نانودیسکهای کروی را می­توان به دو نوع عمده تقسیم کرد: ۱- نانودیسکهای کروی دولایه ۲-نانودیسکهای کروی چهارلایه غشایی. نانودیسکهای دولایه ساختارهایی هستند که دولایه غشایی فسفولیپیدی برروی هم قرار گرفته­اند و بین دولایه محتویات یا مولکولهای آبی وجود ندارد. نانودیسکهای چهارلایه در واقع شبیه سلول طبیعی هستند که از دو طرف دارای فرورفتگی هستند. مثل ساختار گلبول قرمز خون که از دوطرف فرورفتگی دارد. داخل لومن ساختار نانودیسک چهارلایه­ای می­تواند محتویات یا مولکولهای آب وجود داشته باشد (۴۳، ۴۶ و ۵۱). شکل ۱ ساختار نانودیسک کروی دولایه­ای و چهارلایه­ای را نشان می­دهد.

 

 

شکل ۱- ساختار شماتیک نانودیسک کروی دولایه­ای و چهارلایه­ای (۱۱)

 

نانودیسکها می­توانند از اجزای مختلفی تولید شوند. مهمترین اجزاء تشکیل دهنده ساختار نانودیسکها شامل لیپیدها (به ویژه فسفولیپیدها) و کلسترول است. که معمولاً تعداد یا غلظت فسفولیپیدها بیشتر از تعداد یا غلظت کلسترول در ساختار نانودیسکها مورد استفاده قرار می­گیرد. فرمولاسیون نانودیسکها را از نظر محتوای مواد دارویی، پایداری و جذب سلولی می­توان از طریق تغییر پارامترهای فیزیکوشیمیایی بهینه سازی کرد. ساختار نانودیسک قادر است داروهای محلول در آب را در بخش سطحی آبدوست خود و داروهای محلول در چربی  را در داخل دو لایه خود که محیط آبگریز است، پوشش دهد. به طور کلی اهمیت نانودیسکها در پزشکی و داروسازی را می توان به دو حیطه درمان و تشخیص بیماریها تقسیم کرد. از نانودیسکها به عنوان یک ابزار، یک مدل و یا یک معرف در مطالعات پایه از قبیل فعل و انفعالات سلول، فرآیند­های شناخت و نحوه عمل مواد خاص استفاده می­شود. در تهیه نانودیسکها معمولاً از فسفولیپیدهای با منشاء زیستی استفاده می­شود. در فسفولیپیدهای حاصل از منابع طبیعی، زنجیره­­های آسیل بسته به منبع استخراج متفاوت است که این امر موجب می شود بتوان که ساختارهای متنوعی را طراحی کرد. به علاوه ذخایر فسفولیپیدی که در ساختار نانودیسکها استفاده می­شوند به مرور زمان دچار هیدرولیز استری می­شوند، که در طی آن یکی از زنجیره های آسیل از فسفولیپید جدا شده و به لیزوفسفولیپید تبدیل می­شود. همچنین اگر در زنجیره های آسیل پیوند غیراشباع وجود داشته باشد پراکسیداسیون رخ می­دهد. به دلایلی که در بالا ذکر شد مواد خامی که در ساختار نانودیسکها استفاده می­شوند کیفیت بالایی ندارند. همچنین سنتز نانودیسکها در محیط آزمایشگاهی و تجربی بسیار زمان­بر و هزینه­بر است. علاوه براین اصلی­ترین مانع در تکنولوژی نانودیسکها به خصوص در استفاده از آنها به عنوان حامل دارو، عدم پایداری آنها به مدت طولانی می­باشد. پایداری فیزیکی و شیمیایی نانودیسکها تحت تأثیر عوامل مختلفی است که می­توانند بر روی میزان پایداری نانودیسکها و کارایی نفوذ دارو در آنها اثر بگذارند. به همین خاطر نیاز است که شرایط پایداری نانودیسکها برای مدت طولانی فراهم شود. با محدودیتهایی که در روشهای تجربی وجود دارد و در بالا به آنها اشاره شد، از روشهای تئوری به عنوان روشهای تکمیلی برای مطالعه نانودیسکها می­توان استفاده کرد. در این تحقیق هدف دستیابی به یک ساختار نانودیسک بهینه است. با توجه به اینکه ساختارهای نانودیسک رفتاری شبیه به غشای سلول دارند، از آنها در مهندسی سلولی و زیست­ فناوری استفاده می­شود(۴، ۹، ۴۲ و ۵۴). لذا در این تحقیق از رویکرد شبیه سازی دینامیک مولکولی استفاده شد و ساختارهای نانودیسک طراحی و ایجاد گردیدند. مولکولهایی که در ساختار نانودیسک مورد استفاده قرار گرفتند شامل مولکولهای اسفنگومیلین جنین جوجه و کلسترول هستند.

مواد و روشها

شبیه سازی سیستمهای زیستی پیچیده مثل ساختارهای تشکیل شونده­ایی چون غشای دولایه، لیپوزوم، میسلها، نانوفیبرها و سایر ساختارهای بزرگ بسیار طولانی و زمان­بر است. در این تحقیق نیز چون قرار بود ساختار نانودیسک ایجاد شود و مشکل طولانی بودن زمان شبیه­سازی وجود داشت، از رویکرد شبیه­سازی دینامیک مولکولی دانه درشت استفاده شد. شبیه­سازی دانه درشت این امکان را فراهم می­کند که اتمهای مشابه نزدیک هم را به صورت یک کره در نظر گرفت. چالش اولیه در این تحقیق انتخاب فسفولیپیدهای­­های مناسب بود. لازم بود که فسفولیپیدهایی انتخاب شوند که گزینه مناسبی برای انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی باشند. یعنی فسفولیپیدهایی انتخاب می­شدند که دارای میدانهای نیروی مشخص بودند و قابلیت شبیه سازی آنها نیز در نرم افزار گرومکس فراهم می­شد. به همین خاطر مولکولهای اسفنگومیلین جنین جوجه و کلسترول انتخاب شدند. مختصات داده اولیه این مولکولها به صورت حالت دانه درشت از سایت چارم (http://www.charmm-gui.org) دریافت شد (شکل۲) (11، 13، 14).

 

شکل ۲- ساختار دانه درشت مولکولهای اسفنگومیلین جنین جوجه و کلسترول

مولکول اسفنگومیلین جنین جوجه دارای گروهها یا دانه هایی شامل: NC3 (به رنگ آبی)، PO4 (به رنگ خاکستری)، AM1 و AM2 (به رنگ صورتی)، T1A،C2A ،C3A ،C1B ،C2B ،C3B  و C4B (به رنگ فیروزه­ای) است. مولکول کلسترول هم دارای دانه­هایی شامل: R4 ، R3، R2، R1،ROH و R5 (به رنگ صورتی)، C1 و C2 (به رنگ فیروزه­ای) است.

نرم افزار گرومکس نسخه ۵.۰.۱ برای این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت. در ابتدا از یک مولکول اسفنگومیلین جنین جوجه برای ساخت جعبه استفاده شد. جعبه شبیه سازی به شکل مکعبی و در ابعاد۲۰*۲۰*۲۰ نانومتر تعریف شد. فاصله ساختار ایجاد شده از کناره های جعبه ۳/0 نانومتر در نظر گرفته شد. همچنین حالت شرایط مرزی دوره­ای برای سیستم در نظر گرفته شد و مولکولهایی که از یک سمت جعبه خارج می­شوند دوباره از سمت دیگر وارد جعبه شبیه­سازی می­شوند. سپس به ترتیب مولکولهای اسفنگومیلین جنین جوجه و کلسترول به داخل جعبه اضافه شدند. تعداد مولکولهای اضافه شده برابر ۸۱۱ مولکول اسفنگومیلین جنین جوجه و ۵۳۹ مولکول کسلترول است. در نهایت مولکولهای آب به تعداد ۵۹۵۶۰ مولکول، به منظور آب­پوشی سیستم اضافه شدند. (شکل۳). نوع آب مورد استفاده در این تحقیق آب حالت دانه درشت و قطبی است (۱۵، ۱۶، ۱۷، ۱۸، ۱۹، ۲۱ و ۲۸).

 

 

شکل ۳- مراحل تعریف جعبه (مولکول اسفنگومیلین جنین جوجه در وسط جعبه است) ، اضافه کردن مولکولهای لیپید و اضافه کردن مولکولهای آب

 

در این مطالعه یک فرآیند شبیه سازی دینامیک مولکولی به مدت ۱۰۰۰ نانوثانیه (۱ میکروثانیه) انجام شد. تمام شبیه­سازیها با نرم افزار گرومکس نسخه ۵.۰.۱ و میدان نیروی مارتینی انجام شد. مرحله بهینه­سازی انرژی،۵۰۰۰ گام و به روش شدیدترین نزول صورت گرفت. تعادل­رسانی در حجم ثابت برای تنظیم دما روی ۴۰۰ درجه کلوین و تعادل­رسانی در فشار ثابت برای تنظیم فشار روی یک اتمسفر، به مدت ۲ نانوثانیه صورت گرفت. در نهایت مرحله شبیه­سازی اصلی (مرحله تولید) به مدت ۱ میکروثانیه انجام شد. ورودیای فایل اصلی mdp نیز تنظیم گردید. مقدار تایم استپ در مرحله تولید و در فایل mdp برروی ۲۰ فمتو ثانیه تنظیم شد. پارامتر nstlist مقدارش ۱۰ در نظر گرفته شد. پارامترهای coulombtype و vdw_type به صورت cut-off تعریف شدند و الگوریتمهای تعریف شده برای پارامترهای tcoupl، pcoupl و cutoff-scheme به ترتیب شامل الگوریتمهای v-rescale ، berendsen و verlet است (۲۲، ۲۳، ۲۴، ۲۵ و ۲۷).

نتایج و بحث

نتایج حاصل از شبیه­سازی، با رویکرد بررسی شکل گیری ساختار نانودیسک صورت گرفت. آنالیزها به منظور بررسی شکل گیری ساختار نانودیسک مورد استفاده قرار گرفتند که شامل آنالیزهای شعاع ژیراسیون، خطای جذر میانگین مربعات، تابع توزیع شعاعی، ناحیه سطح در دسترس حلال، انرژی میانکنشهای واندروالسی، انرژی میانکنشهای الکترواستاتیک و انرژی کل می­باشند.

امروزه نیاز روزافزون وجود دارد تا ساخت نانودیسکها در آزمایشگاهها پیشرفت داده شود و بهبود یابد. این نیاز باعث شده  است که استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی در حیطه طراحی و ساخت نانودیسکها بسیار مهم باشد. شبیه سازی دینامیک مولکولی به عنوان یک ابزار اولیه کمک می­کند تا روند شکل گیری نانودیسکها و عوامل مؤثر در پایداری و شکل­گیری آنها مورد مطالعه قرار گیرد. با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی می­توان سهم هر کدام از میانکنشهای پیوندی و غیرپیوندی در  تشکیل نانودیسکها را به دست آورد و در نهایت با کسب چنین نتایجی می­توان نانودیسکهایی با ساختار و عملکرد بهینه سنتز نمود. که این عامل باعث صرفه جویی در هزینه و زمان می­شود.

شکل­گیری ساختار نانودیسک: در این مطالعه هدف اصلی طراحی و ساخت ساختار نانودیسک از فسفولیپید اسفنگومیلین و مولکول کلسترول و بررسی شکل­گیری آن است. که به این منظور از رویکرد شبیه سازی دینامیک مولکولی دانه درشت استفاده شد.  با استفاده از فایلهای حاصل از فایل مسیر شبیه سازی، پارامترهایی در شکل­گیری ساختار و همچنین انرژیها استخراج شدند. و نتایج به دست آمده نشان داد که نانودیسک طراحی شده به خوبی در محیط شبیه سازی تشکیل شده است. شکل ۴ ساختار نهایی ایجاد شده بعد از ۱ میکروثانیه شبیه سازی را نشان می­دهد. علاوه بر این موقعیت مولکولهای اسفنگومیلین، کلسترول و آب و همچنین ابعاد نانودیسک ایجاد شده در شکل آمده است.

 

نمای بالایی

نمای جانبی (برش داده شده)

۱۵ نانومتر

۷ نانومتر

مولکولهای آب (رنگ سبز)

       مولکولهای اسفنگومیلین

(رنگ آبی)

مولکولهای کلسترول

 (رنگ بنفش)

 

 

 

 

شکل ۴- ساختار نهایی نانودیسک ایجاد شده درمحیط شبیه­سازی گرومکس

 

فسفولیپید DPSM چون دارای ساختار هندسی مخروطی­شکل است، تمایل به ایجاد ساختارهای نانودیسکی دولایه و غشای دولایه را دارد. همچنین این فسفولیپید به خاطر وجود ریشه اسفنگوزین در گروه سری دارای سر قطبی بزرگ است که از تمایل این لیپید برای ایجاد ساختار لیپوزومی می­کاهد. نکته دیگر این است که استفاده کلسترول در ساختار نانودیسک باعث افزایش پایداری می­شود. در واقع طبق مقالات ارائه شده، کلسترول موجود در ساختار نانودیسک توانایی این را دارد که با لیپید مجاور خود پیوند هیدروژنی برقرار کند و این عامل باعث افزایش پایداری نانودیسک می­شود. وجود کلسترول در ساختار نانودیسک نقش کمتری در شروع شکل گیری ساختاردارد، اما بعد از شکل گیری اولیه نانودیسکها، وجود کلسترول باعث پایداری ساختار می­شود (3 و 30).

آنالیز تابع توزیع شعاعی radial distribution function (RDF) برای بررسی شکل­گیری و توزیع لیپیدها در ساختار نانودیسک انجام شد (37-33). در این آنالیز اتمهای فسفر در فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه به عنوان اتمهای رفرنس در نظر گرفته شدند (43 - 33). ساختار نانودیسک ایجاد شده دارای ساختار همگن است  که موجب می­شود RDF این ساختار در یک فاصله خاص (۰.۵ نانومتر یا ۵ آنگستروم) افزایش یافته و بعد از این فاصله مشخص، افت چشم­گیری داشته است (۴۰، ۴۱، ۴۴ و ۴۷). آنالیز به خوبی نشان می­دهد که نانودیسک شکل گرفته و ساختار نهایی آن به صورت یک نانودیسک دایره­ای دولایه است.(52، 53 و 55)(شکل۵).

 

 

شکل۵- آنالیز تابع توزیع شعاعی که نشان دهنده شکل­گیری ساختار نانودیسک دایره­ای دولایه در محیط شبیه سازی است

 

 

 

آنالیز شعاع ژیراسیون نیز به منظور بررسی میزان فشردگی ساختار صورت گرفت. طبق نمودار شعاع ژیراسیون، مقدار شعاع ژیراسیون در طول زمان شبیه­سازی تقریباً ثابت است و تغییر چندانی نکرده است. دلیل چنین اتفاقی این است که در شبیه­سازی سیستمهای مونتاژ شونده مثل غشاها، لیپوزوم، نانودیسکها و سایر ساختارها، جمع شدگی اصلی ساختار در مرحله تعادل­سازی صورت­ می­گیرد و در مرحله شبیه سازی اصلی تغییر چندانی در شعاع ژیراسیون مشاهده نمی­شود. در این مرحله تغییرات زیادی در شعاع ژیراسیون دیده نمی شود و شعاع ژیراسیون در یک آستانه تقریباً ثابت است که همین امر تأیید کننده شکل­گیری ساختار مورد نظر است (شکل ۶) (20 و 56).

 

 

شکل ۶- آنالیز شعاع ژیراسیون که به منظور بررسی شکل­گیری و میزان فشردگی ساختار انجام شد و نمودار مقدار ثابتی را از شعاع ژیراسیون نشان می­دهد که بیانگر این موضوع است که ساختار نانودیسک ایجاد شده، فشرده شده است.

 

ناحیه سطح در دسترس حلال Solvent-accessible surface area (SASA) یکی از آنالیزهایی است که برای شکل گیری ساختارهای غشایی و نانودیسکی استفاده می­شود. ناحیه سطح در دسترس یا ناحیه سطح در دسترس حلال، سطح یک بیومولکول یا ترکیب شیمیایی است که به حلال دسترسی دارد. اندازه گیری  ناحیه سطح در دسترس معمولاً در واحد مربع آنگستروم تعریف می­شود (7 و 49). طبق مقالات ارائه شده با شکل گیری نانودیسکها و ساختارهای غشایی از میزان ناحیه سطح در دسترس حلال کاسته می­شود. در این تحقیق نیز با نزدیک شدن مولکولهای لیپید در کنار همدیگر از میزان ناحیه سطح در دسترس حلال نسبت به مولکولهای آب کاسته شد و در نتیجه در نمودار مربوطه از میزان ناحیه سطح در دسترس حلال کاسته شد. در شکل ۷ آنالیز ناحیه سطح در دسترس حلال در طول زمان شبیه­سازی کاهش یافته است که نشان­ می­دهد که ساختار نانودیسک شکل گرفته است (6 و 48).

انحراف جذر میانگین مربعات  (root-mean-square deviation (RMSD))  تفاوت میان مقدار پیش‌بینی شده توسط مدل یا برآوردگر آماری و مقدار واقعی می‌باشد. پارامتر RMSD  برای بررسی پایداری و ثبات مولکولهای زیستی شبیه سازی شده مورد استفاده قرار می­گیرد.

 

شکل ۷- آنالیز ناحیه سطح در دسترس حلال که با یک روند نزولی آغاز می­شود و بیانگر این است که ساختار نانودیسکی در محیط شبیه سازی شکل گرفته است.

این پارامتر مقیاسی است که تفاوتهای بین مقادیر پیش‌بینی‌شده توسط یک مدل یا تخمین را نسبت به یک مقدار واقعی برای یک متغیر خاص بیان می‌کند. RMSD هر ساختار نسبت به ساختار قبل آن در نظر گرفته می شود. شکل ۸ آنالیز این پارامتر را برای نانودیسک ایجاد شده نشان می­دهد. همان طور که در شکل ۸ مشخص است این مقدار  بعد از حدود ۶۰ نانوثانیه از زمان شبیه سازی پایدار شده­اند و به ثبات ساختاری رسیده­اند. افت و خیزهایی که بعد از زمان ۶۰ نانوثانیه و ثبات سیستم مشاهده می­شود به این علت است که سیستمهای تجمع­شونده مثل نانودیسکها ساختارهایی بسیار منعطف هستند و موجب تغییر لحظه­­ای نمودار RMSD می­شوند. در واقع ساختاری را می­توان دارای پایدار ساختاری مناسب در نظر گرفت که میزان RMSD با انحرافات کمتر داشته باشد (۵ و 31).

 

 

شکل ۸- آنالیز پارامتر RMSD  برای ساختار نانودیسک ایجاد شده، که بیانگر میزان پایداری و ثبات مناسب برای ساختار است.

 

آنالیز انرژی میانکنشها در شکل­گیری نانودیسک: علاوه بر آنالیزهای بیان شده آنالیزهای انرژی نیز انجام داده شدند تا ثبات و پایداری ساختار ایجاد شده بررسی شود. همه آنالیزهای به دست آمده نشان می­دهند که ساختار مورد نظر دارای میزان پایداری نهایی مناسبی است. چون همه آنالیزهای انرژی انجام شده نشان دادند که بعد از سپری شدن ۳۰ نانوثانیه از شبیه سازی سیستم به ثبات رسیده است. ابتدا انرژی میانکنشهای واندروالسی برای هر کدام از جفت لیپیدها به دست آمد تا سهم هر کدام از آنها در شکل گیری ساختار نانودیسک به دست آید. فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه  و مولکول کلسترول دارای بخش هیدروفوبیک در ساختار خود هستند. این مولکولها در این مناطق از ساختارهای خود می­توانند میانکنشهای واندروالسی را ایجاد کنند. در واقع زمانی که ساختار نانودیسک ایجاد می­شود این مولکولها در کنار یکدیگر قرار می­گیرند و چون در فاصله واندروالسی یکدیگر قرار دارند می­توانند میانکنشهای واندروالسی را ایجاد کنند. فاصله واندروالسی می­تواند بین ۱ تا ۱۰ آنگستروم باشد. همان طور که در شکل ۹-الف مشخص است در ابتدای شبیه سازی انرژی میانکنشهای واندروالسی کم است ولی بعد از سپری شدن زمان در محیط شبیه سازی، با تشکیل میانکنشهای واندروالسی، به میزان انرژی میانکنشهای واندروالسی افزوده می شود و در نمودار منفی­تر می شوند. فسفولیپیدهای DPSM-DPSM در ابتدای شبیه­سازی ۲۰۰۰۰ کیلو ژول بر مول و در انتهای شبیه سازی ۹۰۰۰۰ کیلوژول بر مول، جفت لیپیدهای DPSM-CHOL به ترتیب ۳۷۰۰۰ و ۶۵۰۰۰ کیلوژول بر مول و جفت لیپیدهای CHOL-CHOL به ترتیب ۵۰۰۰ و ۲۰۰۰۰ کیلوژول بر مول انرژی در ابتدا و انتهای شبیه­سازی دارند. همان طور که در شکل ۹-الف نیز مشخص است جفت فسفولیپیدهای DPSM-DPSM بیشترین میزان میانکنشهای واندروالسی را بین خود برقرار کرده­اند و دارای بیشترین انرژی هستند(۹۰۰۰۰ کیلوژول بر مول) و در نتیجه بیشترین نقش را در پایداری نانودیسک در حیطه میانکنشهای واندروالسی دارند. بعد از جفت فسفولیپیدهای DPSM-DPSM ، به ترتیب جفت لیپیدهای DPSM-CHOL (۶۵۰۰۰ کیلوژول بر مول) و جفت لیپیدهای CHOL-CHOL (۲۰۰۰۰ کیلوژول بر مول) بیشترین میزان میانکنشهای واندروالسی را بین همدیگر برقرار می­کنند. شکل ۹-ب انرژی میانکنشهای واندروالسی بین مولکولهای DPSM و CHOL و مولکولهای آب را نشان می­دهد. که میزان انرژی میانکنشهای واندروالسی مولکول DPSM  با مولکولهای آب (DPSM-W) بیشتر از مولکولهای کلسترول (CHOL-W) است (7 و 38).

 

الف

ب

 

شکل ۹- نمودار مقایسه­ای انرژی میانکنشهای واندروالسی مولکولهای DPSM و CHOL الف) انرژی میانکنشهای واندروالسی بین لیپیدهای DPSM-DPSM ، DPSM-CHOL وCHOL-CHOL  در نانودیسک ساخته شده ب) انرژی میانکنشهای واندروالسی بین مولکولهای DPSM و CHOL و مولکولهای آب

 

علاوه بر انرژی میانکنشهای واندروالسی انرژی میانکنشهای الکترواستاتیک نیز برای نانودیسک ساخته شده به دست آمد. همان طور که در شکل­ ۱۰ مشخص است ابتدا انرژی الکترواستاتیک بین جفت فسفولیپیدهای DPSM-DPSM برای ساختار نانودیسک کم و به مقدار ۲۰۰۰ کیلوژول بر مول است. ولی با سپری شدن زمان شبیه سازی، با تشکیل میانکنشهای الکترواستاتیک، به میزان انرژی میانکنشهای الکترواستاتیک افزوده می­شود که برابر ۱۷۲۰۰ کیلوژول بر مول شده است. در ساختار نانودیسک ساخته شده میانکنشهای الکترواستاتیک مرتبط با کلسترول به دست نیامد که این امر به خاطر عدم درگیر شدن کلسترول در تشکیل میانکنشهای الکترواستاتیک است و انرژی الکترواستاتیک کلی در ساختار نانودیسک فقط حاصل فسفولیپید DPSM است. در شکل گیری نانودیسکها میانکنشهای الکترواستاتیک بعد از میانکنشهای واندروالسی ایجاد می­شوند. شکل ۱۰-الف انرژی میانکنشهای الکترواستاتیک بین جفت فسفولیپیدهای DPSM-DPSM و شکل ۱۰-ب بین فسفولیپیدهای DPSM و مولکولهای آب را نشان می­دهد (10، 26 و 29).

 

الف

ب

 

شکل ۱۰- نمودار انرژی میانکنشهای واندروالسی الف) بین جفت فسفولیپیدهای DPSM-DPSM ب) بین فسفولیپیدهای DPSM و مولکولهای آب

 

در نهایت آنالیز انرژی کل برای ساختار نانودیسک ساخته شده به دست آمد. همان طور که در شکل ۱۱ مشخص است ساختار نانودیسک بعد از ۲۰ نانوثانیه سپری شدن از زمان شبیه­سازی به پایداری مناسبی رسیده­ است. که بعد از رسیدن به ثبات و پایداری دارای انرژی معادل ۱۰۵۰۰۰۰ کلیوژول بر مول است.

 

شکل ۱۱- آنالیز انرژی کل ساختار نانودیسک ساخته شده، که نشان می­دهد ساختار مورد نظر به پایداری ثابتی رسیده است و شکل­گیری تمام شده است.

نتیجه­گیری

در این تحقیق ساختار نانودیسک طراحی و ساخته شد. که برای انجام این کار از رویکرد شبیه­سازی دینامیک مولکولی استفاده شد. برای انجام  شبیه­سازی مولکولهای اسفنگومیلین جنین جوجه (DPSM) و کلسترول (CHOL) انتخاب شدند. شبیه سازی به مدت ۱ میکروثانیه با استفاده از نرم افزار گرومکس نسخه ۵.۰.۱ صورت گرفت. نتایج و آنالیزهای به دست آمده از مطالعه شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان داد که مولکولهای لیپیدی انتخابی ساختار نانودیسکی ایجاد کردند. آنالیز شعاع ژیراسیون و تابع توزیع شعاعی به منظور بررسی شکل­گیری و توزیع لیپیدها انجام شدند و  این آنالیزها به خوبی نشان دادند که ساختار نانودیسکی متراکم و واحدی شکل گرفته است و فسسفولیپدها با توزیع همگنی در کنار یکدیگر تجمع یافته­اند. آنالیز ناحیه سطح در دسترس حلال دارای نمودار با روند نزولی است که بیانگر تجمع فسفولیپیدها در کنار همدیگر و ایجاد ساختار نانودیسک است. آنالیزهای انرژی شامل انرژی کل، انرژی میانکنشهای واندروالس و الکترواستاتیک نشان دادند که ساختار نانودیسک ایجاد شده به ثبات و پایداری مناسبی رسیده است. تشکیل ساختارهای نانودیسک دایره­ای ناشی از خواص شیمی-فیزیکی فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه و مولکول کلسترول است. لازم به ذکر است که در ساختار نانودیسک ایجاد شده از فسفولیپید اسفنگومیلین جنین جوجه استفاده گردید که این فسفولیپید ساختار هندسی مخروطی­شکل و همچنین گروه سری بزرگتری نسبت به لیپیدهای دیگر داشته که موجب می­شود که تمایل این مولکول به ایجاد ساختار نانودیسکی زیاد شود. فسفولیپیدهای  اسفنگومیلین جنین جوجه و مولکول کلسترول (حلقه­های آروماتیک) که در همسایگی یکدیگر در ساختار نانودیسک هستند، با یکدیگر میانکنشهای واندروالسی برقرار می­کنند. همچنین فسفولیپیدهای اسفنگومیلین جنین جوجه با همدیگر نیز میانکنشهای واندروالسی و الکترواستاتیک برقرار می­کنند. که این میانکنشهای ایجاد شده، روند شکل­گیری ساختار نانودیسک دایره­ای را تسهیل می­نمایند. هدف در این تحقیق دستیابی به یک ساختار نانودیسک بهینه بود که امروزه در حیطه­های مختلف کاربرد دارد. با توجه به اینکه ساختارهای نانودیسک رفتاری شبیه به غشای سلول دارند، از آنها در مهندسی سلولی و زیست­ فناوری استفاده می­شود. همچنین این ساختارها را می­توان در بحث انتقال دارو و مهندسی طراحی دارو استفاده کرد. به طوری که امروزه خیلی از داروها را برروی ساختارهای نانودیسک تثبیت می­کنند و آنها را داخل بدن بیمار می­فرستند.

 

  • Aguayo-Ortiz, R., J. E. Straub, et al. (2018). "Influence of membrane lipid composition on the structure and activity of γ-secretase." Physical Chemistry Chemical Physics 20(43): 27294-27304.
  • Bayburt, T. H., Y. V. Grinkova, et al. (2002). "Self-assembly of discoidal phospholipid bilayer nanoparticles with membrane scaffold proteins." Nano Letters 2(8): 853-856.
  • Bayburt, T. H., Y. V. Grinkova, et al. (2006). "Assembly of single bacteriorhodopsin trimers in bilayer nanodiscs." Archives of biochemistry and biophysics 450(2): 215-222.
  • Camargo, D. C. R., K. J. Korshavn, et al. (2017). "Stabilization and structural analysis of a membrane-associated hIAPP aggregation intermediate." elife 6: e31226.
  • Camargo, D. C. R., K. J. Korshavn, et al. (2017). "Stabilization and structural analysis of a membrane-associated hIAPP aggregation intermediate." elife 6: e31226.
  • Collaboration, E. R. F. (2009). "Major lipids, apolipoproteins, and risk of vascular disease." JAMA: the journal of the American Medical Association 302(18): 1993.
  • Denisov, I., Y. Grinkova, et al. (2004). "Directed self-assembly of monodisperse phospholipid bilayer Nanodiscs with controlled size." Journal of the American Chemical Society 126(11): 3477-3487.
  • Dietschy, J. M. and S. D. Turley (2004). "Thematic review series: brain Lipids. Cholesterol metabolism in the central nervous system during early development and in the mature animal." Journal of lipid research 45(8): 1375-1397.
  • Fan, Y. and Q. Zhang, 2013, Development of liposomal formulations: From concept to clinical investigations. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences. 8(2): p. 81-87.
  • Feingold, K. R. (2007). "Thematic review series: skin lipids. The role of epidermal lipids in cutaneous permeability barrier homeostasis." Journal of lipid research 48(12): 2531-2546.
  • Emeje, M.O., et al. . 2012, Nanotechnology in drug delivery: INTECH Open Access Publisher
  • Flaminio, M.J.B., et al. 2007, Journal of immune based therapies and vaccines Volume: 5 ISSN: p. 1476-8518 ISO Abbreviation: J Immune Based Ther Vaccines Publication Date.
  • Gao, H., et al., 2014, Cell-penetrating peptide-based intelligent liposomal systems for enhanced drug delivery. Current pharmaceutical biotechnology. 15(3): p. 210-219.
  • Gabizon, A., et al., 1998, Development of liposomal anthracyclines: from basics to clinical applications. Journal of controlled release. 53(1): p. 275-279.
  • Geers, B., et al, 2013, Targeted liposome‐loaded microbubbles for cell‐specific ultrasound‐triggered drug delivery. Small,: 4027-4035.
  • Geers, B., et al., Targeted liposome‐loaded microbubbles for cell‐specific ultrasound‐triggered drug delivery. Small, 2 9(23): p. 4027-4035.
  • Ghadamgahi, M. and D. Ajloo, 2015, Molecular dynamics insight into the urea effect on Tretinoin encapsulation into carbon nanotube. Journal of the Brazilian Chemical Society. 26(1): p. 185-195.
  • Hagn, F., M. Etzkorn, et al. (2013). "Optimized phospholipid bilayer nanodiscs facilitate high-resolution structure determination of membrane proteins." Journal of the American Chemical Society 135(5): 1919-1925.
  • Heurtault, B., et al., 2003, Physico-chemical stability of colloidal lipid particles. Biomaterials. 24(23): 4283-4300.
  • Hong, J.S., et al., 2010, Microfluidic Directed Self-Assembly of Liposome− Hydrogel Hybrid Nanoparticles. Langmuir. 26(13): p. 11581-11588.
  • Ingram, T., et al.,2013, Prediction of micelle/water and liposome/water partition coefficients based on molecular dynamics simulations, COSMO-RS, and COSMOmic. Langmuir. 29(11): p. 3527-3537.
  • Jc, D., G. Dm, and A. Ew. 2001, Prospects for gene theraphy in lung disease.: p. 272-277.
  • Kanaoka, E., et al., 2001, A novel and simple type of liposome carrier for recombinant interleukin‐ Journal of pharmacy and pharmacology. 53(3): p. 295-302
  • Kanaoka, E., et al., 2001, A novel and simple type of liposome carrier for recombinant interleukin‐ Journal of pharmacy and pharmacology. 53(3): p. 295-302.
  • Kemmerer, S., J.C. Voss, and R. Faller, 2013. Molecular dynamics simulation of dipalmitoylphosphatidylcholine modified with a MTSL nitroxide spin label in a lipid membrane. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. 1828(11): p. 2770-2777.
  • Kloesch, B., et al., 2016, In Vitro Study of a Liposomal Curcumin Formulation (Lipocurc™): Toxicity and Biological Activity in Synovial Fibroblasts and Macrophages. In Vivo. 30(4): p. 413-419.
  • Kong, X., et al., 2016, Spreading of a Unilamellar Liposome on Charged Substrates: A Coarse-Grained Molecular Simulation. Langmuir. 32(15): p. 3785-3793.
  • Miller, A.D. 1998, Cationic liposomes for gene therapy. Angewandte Chemie International Edition. 37(13‐14): p. 1768-1785.
  • Mazhab-Jafari, et al. (2013). "Membrane-dependent modulation of the mTOR activator Rheb: NMR observations of a GTPase tethered to a lipid-bilayer nanodisc." Journal of the American Chemical Society 135(9): 3367-3370.
  • Meyer, J. M. and C. E. Koro (2004). "The effects of antipsychotic therapy on serum lipids: a comprehensive review." Schizophrenia research 70(1): 1-17.
  • Moghimi, S.M. and J. Szebeni, 2003, Stealth liposomes and long circulating nanoparticles: critical issues in pharmacokinetics, opsonization and protein-binding properties. Progress in lipid research. 42(6): p. 463-478.
  • Noël, J., et al., 2009, The mechano‐activated K+ channels TRAAK and TREK‐1 control both warm and cold perception. The EMBO journal. 28(9): p. 1308-1318.
  • Pathak, S.K., et al., 2013, Effect of cholesterol concentration on size of liposome. Journal o Pharmacy and Biological Sciences. 1: p. 50-53.
  • Pelisek, J., S. Armeanu, and S. Nikol, 2001, Evaluation of β-galactosidase activity in tissue in the presence of blood. Journal of vascular research. 37(6): p. 5 585-593.
  • Petruzielo, R. S., F. A. Heberle, et al. (2013). "Phase behavior and domain size in sphingomyelin-containing lipid bilayers." Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes 1828(4): 1302-1313.
  • Prakash, P., Y. Zhou, et al. (2016). "Oncogenic K-Ras binds to an anionic membrane in two distinct orientations: a molecular dynamics analysis." Biophysical journal 110(5): 1125-1138.
  • Rainuzzo, J. R., K. I. Reitan, et al. (1997). "The significance of lipids at early stages of marine fish: a review." Aquaculture 155(1-4): 103-115.
  • Reddy, M. J., H. S. Shetty, et al. (1992). "Role of seed lipids in Aspergillus parasiticus growth and aflatoxin production." Journal of the Science of Food and Agriculture 59(2): 177-181.
  • Rigacci, L., et al., 2007, Liposome‐encapsulated doxorubicin in combination with cyclophosphamide, vincristine, prednisone and rituximab in patients with lymphoma and concurrent cardiac diseases or pre‐treated with anthracyclines. Hematological oncology. 25(4): p. 198-203.
  • Ritchie, T., Y. Grinkova, et al. (2009). "Reconstitution of membrane proteins in phospholipid bilayer nanodiscs." Methods in enzymology 464: 211-231.
  • Ritchie, T., Y. Grinkova, et al. (2009). "Reconstitution of membrane proteins in phospholipid bilayer nanodiscs." Methods in enzymology 464: 211-231.
  • Sahoo, S.K. and V. Labhasetwar, 2003, Nanotech approaches to drug delivery and imaging. Drug discovery today. 8(24): p. 1112-1120.
  • Sato, K. (2001). "Crystallization behaviour of fats and lipids—a review." Chemical Engineering Science 56(7): 2255-2265.
  • Schouten, S., E. C. Hopmans, et al. (2013). "The organic geochemistry of glycerol dialkyl glycerol tetraether lipids: a review." Organic geochemistry 54: 19-61.
  • Seydel, J.K. and M. Wiese. 2009:, Drug-membrane interactions: analysis, drug distribution, modeling. . John Wiley & Sons.Vol. 15
  • Shih, A. Y., I. G. Denisov, et al. (2005). "Molecular dynamics simulations of discoidal bilayers assembled from truncated human lipoproteins." Biophysical journal 88(1): 548-556.
  • Shih, A. Y., I. G. Denisov, et al. (2005). "Molecular dynamics simulations of discoidal bilayers assembled from truncated human lipoproteins." Biophysical journal 88(1): 553-556.
  • Van Meer, G., D. R. Voelker, et al. (2008). "Membrane lipids: where they are and how they behave." Nature reviews Molecular cell biology 9(2): 112.
  • Vestergaard, M., J. F. Kraft, et al. (2015). "Bicelles and other membrane mimics: comparison of structure, properties, and dynamics from MD simulations." The Journal of Physical Chemistry B 119(52): 15831-15843.
  • Wagner, A., K. Vorauer-Uhl, and H. Katinger, 2002, Liposomes produced in a pilot scale: production, purification and efficiency aspects. European journal of pharmaceutics and biopharmaceutics. 54(2): p. 213-219.
  • Wengler, G., et al. (2003), Entry of alphaviruses at the plasma membrane converts the viral surface proteins into an ion-permeable pore that can be detected by electrophysiological analyses of whole-cell membrane currents. Journal of general virology, 1:(84) 173-181
  • Xue, M., L. Cheng, et al. (2018). "Molecular Mechanism of Lipid Nanodisc Formation by Styrene Maleic Acid Copolymers." Biophysical Journal.
  • Xiang, T.-X. and B.D. Anderson, Liposomal drug transport: a molecular perspective from molecular dynamics simulations in lipid bilayers. Advanced drug delivery reviews, 2006. 58(12): p. 1357-1378.
  • Zhang, M., et al., 2015., HDL surface lipids mediate CETP binding as revealed by electron microscopy and molecular dynamics simulation. Scientific reports. 5: p. 8741
دوره 34، شماره 2
تیر 1400
صفحه 263-275
  • تاریخ دریافت: 06 بهمن 1397
  • تاریخ بازنگری: 19 اسفند 1397
  • تاریخ پذیرش: 19 فروردین 1398
  • تاریخ اولین انتشار: 01 تیر 1400