Coarse-Grained Modeling of Carbohydrates

During the presentation, two approaches to the effective modeling of carbohydrate conformations with varying molecule sizes, from mono- to polysaccharides, will be discussed. The first approach is based on a newly developed coarse-grained force field from the Martini 3 family and includes models of glucans (polysaccharides composed of glucopyranose units)1 and hyaluronan.2 These models allow the study of e.g. the conformation of single saccharide chains, self-organization of sugars in aqueous solutions, and their interactions with proteins and lipid membranes. The second approach uses free energy maps that describe the local conformation of an oligosaccharide chain fragment from atomistic simulations to generate a thermodynamically correct set of conformations for polysaccharide chains using the Monte Carlo method.3 This type of modeling allows fast and accurate analysis of the conformational properties of long polysaccharide chains, which has been used e.g. to compare predictions from classical force fields (CHARMM, GLYCAM, GROMOS) and assess their agreement with experimental data.

W trakcie prezentacji zostaną przedstawione dwa podejścia do efektywnego modelowania konformacji węglowodanów o zróżnicowanych rozmiarach cząsteczek: od mono- do polisacharydów. Pierwsze podejście opiera się na nowoopracowanym, gruboziarnistym polu siłowym z rodziny Martini 3 i obejmuje modele glukanów (polisacharydów zbudowanych z jednostek glukopiranozy)1 i hialuronianu.2 Modele te pozwalają badać m.in. konformację pojedynczych łańcuchów, samoorganizację cukrów w roztworach wodnych oraz ich oddziaływania z białkami i błonami lipidowymi. Drugie podejście wykorzystuje mapy energii swobodnej opisujące lokalną konformację fragmentu łańcucha oligosacharydu z symulacji atomistycznych do generowania prawidłowego termodynamicznie zbioru konformacji dla łańcuchów polisacharydów z użyciem metody Monte Carlo.3 Tego typu modelowanie umożliwia szybką i dokładną analizę właściwości konformacyjnych długich łańcuchów polisacharydów, co wykorzystano m.in. do porównania przewidywań klasycznych pól siłowych (CHARMM, GLYCAM, GROMOS) i oceny ich zgodności z danymi eksperymentalnymi. 

Literatura

(1) Lutsyk, V.; Wolski, P.; Plazinski, W. Extending the Martini 3 Coarse-Grained Force Field to Carbohydrates. J. Chem. Theory Comput. 2022, 18 (8), 5089–5107. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.2c00553.

(2) Lutsyk, V.; Plazinski, W. Extending the Martini 3 Coarse-Grained Force Field to Hyaluronic Acid. Biomacromolecules 2024, under review.

(3) Lutsyk, V.; Wolski, P.; Plazinski, W. The Conformation of Glycosidic Linkages According to Various Force Fields: Monte Carlo Modeling of Polysaccharides Based on Extrapolation of Short-Chain Properties. J. Chem. Theory Comput. 2024, 20 (14), 6350–6368. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.4c00543.

Podziękowania

Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu OPUS 18 (nr 2019/35/B/ST4/01149).