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칼슘을 모형화하는 간단한 방법
A simple trick for modeling calcium

해외과학기술동향

2018-03-08


칼슘 이온은 세포들이 서로서로 의사소통하게 해줘서, 신경세포들이 상호작용하고 근육이 수축하고, 심장 근육 세포들이 동시적으로 뛰게 해준다. 이 과정들을 더 잘 이해하기 위해서, 연구자들은 종종 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하지만, 정확한 모형은 어렵고 계산하는데 비용이 많이 든다. 연구자들이 컴퓨터 모형을 간단히 변형해서 매우 정확도가 높은 시뮬레이션을 하는 방법을 증명해 보였는데, 이것은 생물학적 과정들을 연구하는데 강력한 도구가 된다.

현재 사용가능한 대부분의 모형은 칼슘 이온의 중요한 성질을 정확히 담아낼 만큼 정확하지 않다.

칼슘 이온은 전달자로서 세포에서 세포로 이동한다. 칼슘 이온이 세포에 도달하면 단백질과 같은 분자에 결합해서, 일련의 화학적 반응을 개시한다. 그러나, 물로 둘러싸인 환경 때문에 칼슘이 정확히 어떻게 결합하는지를 시뮬레이션하는 것은 어렵다.

2가 양이온인 칼슘 이온은 주변의 물 분자의 산소와 강하게 상호작용한다. 이 산소는 부분적으로 음전하를 가져서, 그 산소 원자는 그 결합의 전자들을 보다 효과적으로 당긴다. 칼슘과 물 사이의 전기적인 힘으로 인해서 그 이온 주변의 물 분자들이 재배열하게 된다. 칼슘 이온은 또한 물 분자에 있는 전자들을 이동시키는데, 이것이 전자 분극(electronic polarization)이라고 불리는 현상이다.

대부분의 시뮬레이션은 물 분자의 재배열을 포함한다. 그러나, 전자들이 어떻게 이동하는지 정확하게 계산하는 것은 너무 많은 컴퓨터 파워를 필요로 하기 때문에, 전가 분극은 고려하지 않는다. 전자 분극이 없이는, 칼슘과 연관된 시뮬레이션은 정확하지 않다.

전형적으로, 물 분자들과의 상호작용은 분자 줄다리기에서와 같이, 칼슘 이온을 그것이 결합하려는 분자로부터 멀어지게 당기게 된다. 만약 시뮬레이션이 이 효과를 고려하지 않는다면, 칼슘이 얼마나 강하게 결합하는지를 과대평가하게 되어서, 결합에서 풀어낼 수 없는 이온을 만드는데, 이것은 비현실적이다.

그러나 몇 년 전에, 시뮬레이션에서 그 이온의 전하는 낮추는 해법이 제시되었다. 약 0.75배로 전하를 낮추면 전자 분극의 효과를 모방한다는 것이 밝혀졌다. 그러한 간단한 비례 조정은 컴퓨터 계산에 추가적인 짐이 되지 않는다.

이전에 연구자들은 칼슘과 염소 이온 사이의 비교적 간단한 상호작용을 모형화함으로써, 그 전략을 시험했다. 이번 새 연구에서, 연구자들은 단백질에 있는 분자 그룹으로 생물학에서 의미가 있는 카르복실기와 그들의 모형을 시험했다. 카르복실기의 전하도 조정한 후에, 그들은 그 시뮬레이션이 중성자 산란 실험의 결과와 매우 잘 맞는다는 것을 보였다.

카르복실기는 전체 단백질에 비해서 간단하기 때문에, 그 연구자들은 또한 정확하지만, 컴퓨터 계산이 비싼 전자 구조 계산을 이용해서 칼슘 상호작용을 기술할 수 있었다. 이 계산을 시뮬레이션과 비교해서, 그들은 그 모형의 정확도를 다시 확인했다.

이 시험은 그 새 모형이 거의 모든 단백질과의 칼슘 상호작용을 시뮬레이션할 수 있다는 것을 보여준다. 그들은 또한 세포막에 있는 인지질과 칼슘의 상호작용에 대한 유사한 모형도 개발했다. 다음 단계는 DNA와 RNA 분자들을 가지고 시험하는 것이다.

  • 관련연구자

    Pavel Jungwirth

  • 관련기관

    Czech Academy of Sciences

  • 과학기술분류

    생명과학, 화학

  • 본문키워드(한글)

    컴퓨터 시뮬레이션, 칼슘 이온, 전자 분극, 카르복실 기,

  • 본문키워드(영문)

    calcium ions, computer simulations, electronic polarization, carboxylic group,

  • 원문언어

    영어

  • 국가

    체코

  • 원문출판일

    2018-03-06

  • 출처

    https://www.sciencedaily.com/releases/2018/03/180306115808.htm