Новые суперкомпьютерные симуляторы улучшают понимание движения и функции белков.

«Белки никогда раньше не видели такими», — сказал соавтор Джереми Смит, директор Центра молекулярной биофизики ORNL и заведующий кафедрой Университета Теннесси (Юта). «Мы использовали значительную мощность компьютера, чтобы предоставить единую концептуальную картину движений белков в огромном диапазоне временных масштабов, от самых коротких промежутков времени, за которые движутся атомы (пикосекунды), до времени жизни белков в клетках (примерно 1000 секунд). Это принципиально меняет то, что мы думаем о белке ".Изучение белков — их структуры и функций — необходимо для углубления понимания биологических систем, имеющих отношение к различным энергетическим и медицинским наукам, от исследований биоэнергетики и подповерхностной биогеохимии до разработки лекарств.Результаты, полученные аспирантом Университета Смита, Сяоху Ху, показали, что динамика отдельных белковых молекул «самоподобна» и выходит из равновесия в огромном диапазоне временных масштабов.

С помощью Titan — самого быстрого суперкомпьютера в США, расположенного в вычислительном центре Oak Ridge Leadership Computing Управления науки Министерства энергетики США — команда Смита разработала полную картину динамики белка, обнаружив, что структурные флуктуации внутри любых двух идентичных белковых молекул, даже если они закодированы одним и тем же геном, оказываются разными.«Ген — это код для белка, производящий разные копии белка, которые должны быть одинаковыми, но внутренние колебания этих отдельных белковых молекул могут никогда не достичь равновесия или сойтись», — сказал Смит. «Это потому, что сами флуктуации постоянно стареют и не успевают успокоиться до того, как белковые молекулы будут съедены в клетке и заменены».Понимание феномена неравновесия имеет биологические последствия, потому что функция белка зависит от его движений.

Две отдельные белковые молекулы, даже если они происходят из одного и того же гена, не будут работать в клетке одинаково.«У вас могут быть, например, две идентичные молекулы фермента, которые катализируют одну и ту же реакцию», — сказал Смит. «Но из-за отсутствия равновесия скорость, с которой происходит катализ, будет немного отличаться для двух белков. Это влияет на биологическую функцию белка».

Команда также обнаружила, что динамика отдельных белковых молекул самоподобна или фрактальна во всем диапазоне временных масштабов. Другими словами, движения в одной белковой молекуле выглядят одинаково, как бы долго вы ни смотрели на них, от пикосекунд до сотен секунд.

«Движения в белке, то, как кусочки белка покачиваются и покачиваются друг относительно друга, похожи друг на друга во всех этих временных масштабах», — сказал Смит. «Мы представляем форму белка в виде точки. Если он меняет свою форму из-за движений, он переходит в другую точку и так далее. Мы соединили эти точки, нарисовав изображения, и обнаружили, что эти изображения совпадают, когда вы смотрите на них в любом масштабе времени, будь то наносекунды, микросекунды или миллисекунды ».

Создавая более полную картину динамики белка, исследование группы показывает, что движения отдельной белковой молекулы в очень быстрых временных масштабах напоминают движения, которые регулируют функцию белка.Чтобы завершить все моделирование, команда объединила мощь Titan с двумя другими суперкомпьютерами — Anton, специализированным параллельным компьютером, созданным D.E.

Shaw Research и Hopper, суперкомпьютер Cray XE6 Национального центра энергетических исследований, расположенный в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.«Титан был особенно полезен для нас, чтобы получить точную статистику», — сказал Смит. «Это позволило нам провести множество симуляций, чтобы уменьшить количество ошибок и получить более надежные результаты».


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *