Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) провели исследование, посвященное изменению формы молекул сахарозы – распространенного столового сахара – в водной среде. Для этого они использовали масштабное компьютерное моделирование. Понимание того, как молекула сахара ведет себя в воде, имеет важное значение для биохимических процессов, пищевой промышленности и фармакологии. Результаты исследования были опубликованы в The Journal of Chemical Physics, данные результаты позволят глубже разобраться в особенностях углеводов в живых организмах, а также окажут влияние на создание инновационных медикаментов и материалов. Работа является логическим продолжением предыдущей публикации, представленной авторами от 2022 года.
Сахароза является одной из наиболее часто встречающихся и важных биологически молекул. Её структура состоит из двух колец – глюкопиранозного и фруктофуранозного – связанных гликозидной связью. Изучение свойств сахарозы в растворах позволит усовершенствовать разработку лекарственных препаратов, использующих углеводные структуры. Выявленный механизм также поможет оптимизировать производство биоматериалов, созданных на основе сахаров, и разработать более совершенные методы компьютерного моделирования для других углеводов.
Исследования, проведённые специалистами МТФИ, зафиксировали новый уровень точности в компьютерном моделировании углеводов. Они продемонстрировали, что даже в обычном сахаре присутствует сложная изменчивость, и предоставили научному миру проверенные способы для её анализа. Данное открытие имеет большое значение для прогресса биохимических исследований, фармакологии и производства продуктов питания.
В рамках исследования ученые впервые провели моделирование сахарозы в водной среде с разрешением в микросекунды. Это дало возможность проследить за редкими изменениями в её структуре. Было установлено, что молекула сахарозы в растворе существует в трех основных формах (M0, M1, M2), где M0 соответствует кристаллической структуре и является наиболее устойчивой. Кроме того, ученые продемонстрировали, что форма молекулы сахарозы не определяется её концентрацией в воде, однако продолжительность существования каждого конформера возрастает при увеличении концентрации раствора.
«Вычислительные методы молекулярной динамики получили широкое признание как действенный способ прогнозирования устойчивых молекулярных конфигураций в течение последних десятилетий. Тем не менее, значительная часть предыдущих исследований была посвящена изучению разбавленных растворов и коротких временных интервалов, что препятствовало полному пониманию конформационной динамики. В нашей работе мы исследовали конформационную динамику сахарозы в водном растворе, используя молекулярное моделирование и рассматривая процессы в масштабах микросекунд », — пояснил один из авторов статьи, аспирант кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ, младший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ Владимир Дещеня.
Траектории движения атомов в растворах сахарозы различной концентрации (20%, 30% и 50%) были изучены учёными. Для проверки полученных результатов сравнивались три компьютерные модели межатомных взаимодействий. Основное внимание уделялось изменению гликозидной связи и сохранению конфигураций молекулы сахарозы. Модель OPLS-AA/1.14*CM1A-LBCC оказалась наиболее точной при описании динамики сахарозы.
«Проведённое исследование показало, что современные методы молекулярного моделирования не только соответствуют экспериментальным методам, например ЯМР- и УФ-спектроскопии, но и позволяют расширить их возможности. В дальнейшем наша работа предоставит возможность моделировать более сложные углеводные структуры, включая полисахариды и их взаимодействие с белками. Следует отметить, что для выполнения подобных расчётов необходимы значительные вычислительные мощности и высококвалифицированные специалисты», — отметил руководитель Центра вычислительной физики МФТИ Николай Кондратюк.
Повышение эффективности вычислений для получения протяженных молекулярно-динамических траекторий стало возможным благодаря гранту РНФ № 20-71-10127. Исследования, посвященные сопоставлению моделей взаимодействия для водных растворов, и разработка методов расчёта получили поддержку Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения № 075-03-2025-662 от 17 января 2025 года. Вычисления проводились на Soft Cluster Центра вычислительной физики МФТИ.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ