"Представьте себе надутый воздушный шар, прикрепленный к насосу, но намного, намного меньше. При защемлении горлышка баллона петлей он отсоединяется от насоса и может свободно перемещаться ". Описание представляет собой приближение одного из молекулярных процессов, рассмотренных математиком доктором Фрэнком Ноэ в рамках проекта МЭТЕОНА "A19, моделирование и оптимизация функциональных молекул". В частности, молекулярная структура и механизм динамина.

Динамин - это белок и "петля", которая отсоединяет баллон от насоса. Везикулу (научное название баллона) необходимо отсоединить, чтобы она могла выполнять свою роль везикулы для транспортировки веществ-мессенджеров и питательных веществ в клетку. Вещества, которые необходимо транспортировать в клетку, сначала накапливаются в пузырьке, образованном в результате инвагинации с поверхности клетки. Затем молекула динамина прикрепляется к шейке пузырька и образует вокруг него спираль. Затем он перерезает шейку пузырька. Теперь везикула может свободно транспортировать питательные вещества в клетку.

Хотя ученые давно знали об этом процессе, молекулярные детали того, как работает динамин, до сих пор были неизвестны. Группе исследователей из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка (MDC) в Берлине удалось получить снимки детальной молекулярной структуры и с помощью математических исследований, проведенных Фрэнком Ноэ и его командой в MATHEON, удалось вдохнуть жизнь в эти статичные структуры.

"Без математических методов было бы невозможно смоделировать процессы, которые происходят при разрыве шейки пузырька", - объясняет математик.
Имитировать этот молекулярный процесс чрезвычайно сложно. "Моделирование охватывает 250 000 частиц, и каждая итерация вычисления занимает около 1 секунды, даже на мэйнфрейме. Чтобы непосредственно смоделировать этот процесс, нам пришлось бы выполнить миллионы итераций. Это заняло бы десятилетия - разделение внутри клетки занимает всего миллисекунды ". С помощью математических методов, разработанных в MATHEON, стало возможным разделить процесс расщепления на множество более мелких, более управляемых симуляций.

В случае с динамином это позволило визуализировать точный механизм действия на отдельных этапах. Оказывается, что молекула действует по определенному пути. "Мы смогли идентифицировать три основных состояния молекулы", - объясняет математик, описывая процесс следующим образом: "Первоначально молекулы динамина прикрепляются к шейке пузырька по отдельности, прежде чем соединяться, образуя от полутора до двух тугих витков вокруг шейки пузырька. Затем эта структура расширяется, как пружина, и вращается сама по себе. В результате полужидкий материал, составляющий шейку пузырька, более или менее разорван ".

Понимание этого процесса важно для медицинской науки, поскольку оно представляет собой точку атаки для борьбы с ядами и болезнями. "Многие нейротоксины, например, действуют в этот момент, тем самым блокируя нервную функцию", - объясняет Фрэнк Ноэ. Дегенеративные неврологические заболевания, такие как болезнь Паркинсона, также влияют на поглощение пузырьков нервными клетками. "Если мы сможем лучше понять механизм динамина, мы сможем найти новые подходы к ранней диагностике или лечению", - говорит доктор Ноэ.

Сотрудничество между врачами, структурными биологами и математиками в этой области будет продолжаться. "Математические исследования, проводимые в рамках проекта MATHEON, будут продолжать вносить важный вклад в получение дальнейших полезных идей", - объясняет Фрэнк Ноэ.