Utilizando la supercomputadora Titán y la fuente de neutrones de espalación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, los científicos han creado el modelo 3D más preciso hasta el momento de una proteína intrínsecamente desordenada, revelando el conjunto de sus estructuras de nivel atómico.
Como su nombre lo indica, un IDP no adopta una estructura estática ordenada como otras proteínas; en cambio, es flexible y puede adoptar múltiples estructuras 3D. Esta falta de una estructura única es necesaria para la función biológica del IDP pero lo hace técnicamente desafiantepara estudiar. Los IDP pueden ser una proteína completa o un dominio de una proteína estructurada de otra manera, y constituyen una gran porción de proteínas humanas, de microbios y vegetales.
Loukas Petridis, científico del personal del Centro de Biofísica Molecular de ORNL, ha dirigido a un equipo de investigadores a una nueva forma de crear modelos físicos precisos de esos biosistemas flexibles, que pueden conducir a una mejor comprensión de sus funciones biológicas.En los últimos tres años, el equipo ha combinado experimentos de dispersión de neutrones con simulaciones mejoradas de dinámica molecular de muestreo MD tan exigentes computacionalmente que requieren la potencia de procesamiento de Titan, el Cray XK7 de 27 petaflop recientemente desmantelado en la Instalación de Computación de Liderazgo Oak Ridge, unCentro de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
"Estudiar estos desplazados internos es bastante difícil, tanto desde la perspectiva de los experimentos como del modelado", dijo Utsab Shrestha, autor principal del artículo del equipo, publicado recientemente en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias . "No solo pensamos en ello solo a partir del experimento o la simulación, sino que planificamos de manera que pudiéramos sinergizar ambos enfoques, combinarlos de manera que pudiéramos obtener información más precisa sobre los desplazados internos. Específicamente, las simulaciones ayudaronnosotros para generar un conjunto preciso de IDP a resolución atómica, que es difícil de determinar solo a partir de experimentos ".
Por lo general, los investigadores realizan experimentos como la dispersión de neutrones de ángulo pequeño, la dispersión de rayos X de ángulo pequeño o la resonancia magnética nuclear para sondear sistemas biológicos flexibles. Sin embargo, estos métodos no proporcionan una imagen detallada a nivel atómico del 3D de un IDPestructuras, conocidas como su conjunto de configuración. Además, solo pueden producir datos promediados por conjunto, en lugar de las configuraciones específicas de la estructura de la proteína subyacente. Los científicos también han realizado simulaciones por computadora de IDP y las han comparado con tales experimentos, con la esperanza de obtener los mismos resultados enpara verificar la precisión de sus modelos.
"Pero terminan no estando de acuerdo con los experimentos", dijo Petridis. "Y debido a la discrepancia entre las simulaciones y los experimentos, tienen que volver a ponderar las simulaciones; tienen que ajustar los resultados de la simulación para que coincidan con los experimentos".experimentos, lo cual es frustrante. Ese era el estado del arte hasta nuestro trabajo ".
Las simulaciones de Computer MD realizadas por Shrestha utilizaron métodos de muestreo mejorados que lograron emparejar no solo los experimentos de dispersión de neutrones, realizados por Viswanathan Gurumoorthy y sus colegas en SNS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias de DOE en ORNL, sino también datos de RMN publicados anteriormenteEstas simulaciones de MD utilizan la física para determinar cómo se mueven las proteínas. La clave del éxito del equipo fue ejecutar muchas simulaciones de MD en paralelo en Titán, permitiendo que las simulaciones se comuniquen entre sí e intercambien información.
"Esto es muy importante porque permite que la simulación muestree un espacio de configuración más grande, explore más estructuras tridimensionales de una manera más eficiente", dijo Petridis. "Es por eso que este MD de muestreo mejorado puede producir resultados que ella simulación MD normal no puede. Tendríamos que ejecutar una simulación MD normal durante años para obtener los mismos resultados "
El IDP que el equipo decidió estudiar es el dominio N-terminal de la c-Src quinasa, que es una proteína de señalización importante en humanos. Las mutaciones en esta proteína compleja se han correlacionado con el cáncer, lo que también lo convierte en un objetivo farmacológico importanteAl mapear este dominio previamente turbio, los científicos pudieron descubrir nueva información sobre sus estructuras 3D que los métodos anteriores no habían mostrado. Por ejemplo, aunque está en gran medida desordenada, esta proteína forma estructuras ordenadas transitorias, como las hélices.
"La combinación de experimentos de dispersión de neutrones y simulación es muy poderosa", dijo Petridis. "La validación de las simulaciones en comparación con los experimentos de dispersión de neutrones es esencial para tener confianza en los resultados de la simulación. Las simulaciones validadas pueden proporcionar información detalladano obtenido directamente por experimentos "
El modelo de computadora detallado del conjunto de estructura 3D del IDP abre la puerta a más experimentación. Por ejemplo, los científicos podrían simular el efecto de la fosforilación la adición de un grupo fosfato a la proteína que puede regular la función de la proteína para ver qué estructurase producen cambios en la c-Src quinasa que podrían influir en su función. El papel de las mutaciones también podría examinarse: si un investigador cambia un aminoácido en la cadena, ¿cómo afecta esto a la estructura o al conjunto de estructuras?
"Hay muchas preguntas sin respuesta para la c-Src quinasa en particular que podrían responderse en términos de las interacciones con otros socios: el efecto de la fosforilación, el efecto de las mutaciones", dijo Petridis.
Más allá de los posibles usos científicos para el modelo en sí, Petridis ve oportunidades para aplicar el uso de la informática de alto rendimiento para ejecutar MD de muestreo mejorado para estudiar las estructuras de muchos otros IDP importantes, lo que podría dar una idea de su función., el equipo quiere desarrollar tecnologías de simulación que puedan reproducir perfiles de dispersión de neutrones de ángulo pequeño de sistemas biológicos aún más complejos.
"No queremos investigar solo las proteínas desordenadas, queremos tener sistemas mucho más grandes que contengan dominios ordenados y desordenados que puedan estar interactuando con membranas o ADN", dijo Petridis. "La dispersión de neutrones es, en mi opinión, la mejor técnica experimental para sondear estos sistemas de componentes múltiples, por ejemplo, una proteína que interactúa con una membrana o una proteína que interactúa con el ADN. Pero, aún así, la dispersión de neutrones necesita simulaciones precisas para interpretar mejor los datos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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