Simulace Ramanových spekter umožní lépe porozumět sacharidům

Účastní se rovněž takových důležitých dějů, jako je mezibuněčná signalizace či vzájemné rozpoznávání buněk. Pokud chceme porozumět tomu, jak tuto roli sacharidy plní, nestačí nám znát pouze jejich chemickou strukturu, ale musíme mít také představu o prostorovém uspořádání jejich molekul, tj. konformaci, v roztoku.

Lidově řečeno, musíme vědět, jak se molekula sacharidu kroutí. Právě to je ale problém, protože techniky, které se hodí pro většinu biomolekul (jako např. nukleární magnetická rezonance, spektroskopie v UV a viditelné oblasti nebo rentgenová difrakce), v případě sacharidů často selhávají, případně jsou obtížně aplikovatelné.

Jsou ale i jiné techniky, které jsou ke struktuře sacharidů citlivé. Mezi ně patří Ramanova spektroskopie včetně její varianty měřící tzv. optickou aktivitu, jež je schopna rozlišit enantiomerní látky. Nevýhodou této techniky využívající kvantové jevy ovšem je, že naměřená spektra jsou neobyčejně složitá a jejich dešifrování není v lidských silách.

Proto se pro jejich interpretaci musí používat složitých kvantově mechanických výpočtů, které pro různé molekuly a jejich uspořádání předpovídají, jak by jejich spektra měla vypadat. Vypočtená spektra se pak porovnávají s těmi skutečnými, a pokud se shodují, můžeme říci, že máme relativně detailní představu o chování zkoumané látky v roztoku. U molekul sacharidů mají ale i počítače problém, protože do výpočtu musí zahrnout flexibilitu molekuly i okolní vodu, což dohromady celý výpočet extrémně komplikuje.

Vladimír Palivec, Jakub Kaminský, Hector Martinez-Seara spolu s dalšími kolegy z ÚOCHB nyní představili postup, který zásadně snižuje výpočetní náročnost takových simulací, a přesto poskytuje přesné výsledky. Jejich postup spočívá ve využití několika elegantních výpočetních triků.

Prvním z nich je jakýsi předvýpočet různých konformací molekuly s vyžitím výrazně jednodušší klasické molekulové dynamiky, která si situaci zjednodušuje tím, že vnímá atomy v molekule jako kuličky na pružinkách, a nezabývá se kvantově mechanickými složitostmi. Během simulace se zaznamenávají různé možné geometrie modelované molekuly, pro něž se pak již s pomocí kvantově mechanických výpočtů předpovídá jejich Ramanovo spektrum. Nakonec se jednotlivé výsledky zprůměrují a tím dostaneme konečné spektrum.

Jedním z dalších zjednodušení je výpočet interakce sacharidové molekuly s okolní vodou, která rovněž ovlivňuje výsledná Ramanova spektra. I pro tyto výpočty se vědci rozhodli opustit kvantovou mechaniku a molekuly vody počítat jednoduššími metodami molekulové mechaniky.

Celkově se nově vyvinutá metoda velmi dobře shoduje s experimentálními výsledky a dá se tak úspěšně využívat k předpovídání Ramanových spekter či spekter Ramanovy optické aktivity, která představuje ještě o stupeň komplikovanější problém. Díky její přesnosti, rychlosti a množství užitečných informací, které dokáže předpovědět, se může snadno stát široce využitelným nástrojem pro studium těžko přístupných, zároveň však velice důležitých biomolekul.