Die Rolle von Magnesium in der Biologie

Verbessertes atomistisches Modell zur Untersuchung von Magnesium und seiner Wechselwirkungen mit Biomolekülen

8. April 2021

Magnesium spielt bei vielen lebenswichtigen Prozessen eine wesentliche Rolle. Um seine Wirkungsweise in biologischen Systemen durch Computersimulationen korrekt zu beschreiben, sind genaue Modelle mit atomistischer Auflösung entscheidend. Forschende in der Gruppe von Nadine Schwierz am Max-Planck-Institut für Biophysik entwickelten ein verbessertes Modell für Magnesium für Molekulardynamik-Simulationen. Das neue Modell bietet eine beispiellos genaue Beschreibung seines Verhaltens, da es eine breite Palette von experimentellen Eigenschaften, einschließlich der Wechselwirkungen mit Biomolekülen, sehr gut abbildet. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Modell die Entdeckung von wichtigen Magnesium-Ionen-Bindungsstellen auf großen Biomolekülen ermöglicht. Das Modell bietet daher den ersten Schritt, um die Rolle von Magnesium in biologischen Prozessen auf molekularer Ebene zu klären.

Simulations-Snapshot eines Magnesium-Ions und seiner ersten Hydratationsschale, die aus sechs Wassermolekülen besteht

Magnesium ist ein essentieller Nährstoff, der bei vielen physiologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielt. Zum Beispiel wird es bei mehr als 300 biochemischen Reaktionen in unserem Körper benötigt und ist für ein gesundes Immunsystem oder normale Nerven- und Muskelfunktionen unerlässlich.

Die Rolle von Magnesium bei diesen lebenswichtigen Prozessen zu klären, ist jedoch auf experimenteller Basis eine große Herausforderung. Hier können Computersimulationen hilfreich sein, indem sie einzigartige atomistische Einblicke liefern. Motiviert durch die herausragende Rolle von Magnesium haben Forschende auf der ganzen Welt zumindest in den letzten zwei Jahrzehnten versucht, genaue Modelle für entsprechende Computersimulationen zu entwickeln. Doch trotz des enormen wissenschaftlichen Aufwands wiesen die Modelle immer noch erhebliche Mängel auf und eine genaue Beschreibung von Magnesium in biologischen Systemen blieb unerreichbar.

Nun haben Nadine Schwierz und ihr Team ein neues Modell entwickelt, das eine sehr genaue Beschreibung liefert und dazu eine breite Palette von experimentellen Eigenschaften, einschließlich der Wechselwirkungen mit Biomolekülen, gut abgebildet. "Die Unzulänglichkeiten der klassischen Kraftfelder für Metallkationen sind ein bekanntes Problem bei uns Bioinformatikern", so Schwierz. "Wir sind überzeugt, dass unsere verbesserten Kraftfelder einen wichtigen Schritt in Richtung genauerer biomolekularer Simulationen darstellen." Der Schlüssel zur erfolgreichen Parametrisierung des Modells war es, einen viel größeren Parameterraum zu verwenden und Vielteilchen- und quantenmechanische Effekte implizit einzubeziehen. 

"Die neue Beschreibung erlaubt es uns, die Rechenzeit für die Simulation der Magnesiumbindung von mehreren hundert Jahren auf Tage oder sogar Stunden zu reduzieren", fügt Grotz hinzu. "Dies ermöglicht es uns zu entdecken, wie Magnesium mit Biomolekülen interagiert." Schwierz und ihre Gruppe konnten die de novo Entdeckung von Metallbindungsstellen an einem RNA-basierten Riboschalter validieren.

Das nun entwickelte hocheffiziente und genaue Modell eröffnet somit die Möglichkeit, ein detailliertes Verständnis von Magnesium-Ionen in biologischen Systemen zu gewinnen.

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