Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Sử dụng protein có nguồn gốc từ sứa, các nhà khoa học đã tập hợp một cấu trúc mười sáu protein phức tạp bao gồm hai octamer xếp chồng lên nhau bằng cách tăng áp một mình. Nghiên cứu này có thể được áp dụng cho các công nghệ hữu ích như nhắm mục tiêu dược phẩm, thu hoạch năng lượng nhân tạo, cảm biến ‘thông minh’ và vật liệu xây dựng, v.v. Mô hình hóa tính toán thông qua phân bổ XSEDE trên các phép đo tinh chỉnh cấu trúc của Stampede2 (TACC) và Comet (SDSC).
Các tế bào hồng cầu là tuyệt vời. Nó lấy oxy từ phổi và mang đi khắp cơ thể để giữ cho chúng ta sống. Phân tử hemoglobin trong các tế bào hồng cầu vận chuyển oxy bằng cách thay đổi hình dạng của nó theo kiểu hoàn toàn hoặc không có gì. Bốn bản sao của cùng một loại protein trong huyết sắc tố mở và đóng giống như cánh hoa, có cấu trúc được ghép nối để đáp ứng với nhau. Sử dụng siêu máy tính, các nhà khoa học mới bắt đầu thiết kế các protein tự lắp ráp để kết hợp và giống với các phân tử mang lại sự sống như hemoglobin. Các nhà khoa học cho biết phương pháp của họ có thể được áp dụng cho các công nghệ hữu ích như nhắm mục tiêu dược phẩm, thu hoạch năng lượng nhân tạo, cảm biến ‘thông minh’ và vật liệu xây dựng, v.v.
Một nhóm khoa học đã thực hiện công việc này bằng cách tăng cường protein, có nghĩa là họ đã thay đổi các tiểu đơn vị của protein, các axit amin, để tạo cho protein một điện tích dương hoặc âm cao giả. Sử dụng protein có nguồn gốc từ sứa, các nhà khoa học đã có thể lắp ráp một cấu trúc mười sáu protein phức tạp bao gồm hai octamer xếp chồng lên nhau bằng cách tăng áp một mình, những phát hiện được báo cáo vào tháng 1 năm 2019 trên tạp chí Nature Chemistry .
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng siêu máy tính để xác nhận và thông báo các kết quả thử nghiệm này. Phân bổ siêu máy tính trên Stampede2 tại Trung tâm điện toán nâng cao Texas (TACC) và Sao chổi tại Trung tâm siêu máy tính San Diego (SDSC) đã được trao cho các nhà nghiên cứu thông qua XSEDE, Môi trường khám phá khoa học và kỹ thuật cực đoan do Quỹ khoa học quốc gia (NSF) tài trợ.
Anna Simon, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Ellington Lab của UT Austin, cho biết: . “Kết hợp các bản sao tích cực và tích điện âm, chúng ta có thể làm cho các protein lắp ráp thành các tổ hợp có cấu trúc rất cụ thể,” Simon nói. Các nhà khoa học gọi chiến lược của họ là “lắp ráp protein siêu nạp (Protein Assembly)”, nơi họ điều khiển các tương tác protein được xác định bằng cách kết hợp các biến thể siêu nạp được thiết kế.
Jens Glaser, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi khai thác một nguyên tắc cơ bản rất nổi tiếng và cơ bản từ thiên nhiên, rằng các khoản phí ngược lại thu hút”. Glaser là một nhà khoa học nghiên cứu trợ lý trong Tập đoàn Glotzer, Khoa Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Michigan. “Nhóm của Anna Simon nhận thấy rằng khi họ trộn các biến thể protein huỳnh quang màu xanh lá cây này, họ có được cấu trúc có trật tự cao. Đó là một bất ngờ thực sự”, Glaser nói.
Cấu trúc octamer xếp chồng lên nhau trông giống như một vòng bện. Nó bao gồm 16 protein – hai vòng tám đan xen tương tác trong các miếng vá rất đặc biệt, kín đáo. “Lý do tại sao rất khó để thiết kế các protein tương tác tổng hợp là vì tạo ra các bản vá tương tác này và sắp xếp chúng đúng cách để chúng cho phép các protein lắp ráp thành các cấu trúc lớn hơn, thông thường thực sự khó khăn”, Simon giải thích. Họ đã khắc phục vấn đề bằng cách bổ sung nhiều điện tích dương và âm cho các biến thể của protein huỳnh quang màu xanh lá cây (GFP), một loại protein ‘chuột thí nghiệm’ được nghiên cứu kỹ có nguồn gốc từ loài sứa Aequorea victoria.
Protein tích điện dương, mà họ gọi là protein huỳnh quang cerulean (Ceru) +32, có thêm cơ hội tương tác với protein tích điện âm GFP -17. “Bằng cách cung cấp cho các protein tất cả những cơ hội này, những nơi khác nhau mà chúng có khả năng tương tác, chúng có thể chọn đúng,” Simon nói. “Có một số mô hình và tương tác nhất định đã có, sẵn có và được ưa chuộng về mặt năng lượng, mà chúng tôi không nhất thiết phải dự đoán trước sẽ cho phép chúng lắp ráp thành những hình dạng cụ thể này.”
Để có được các protein huỳnh quang tích điện được thiết kế, Simon và đồng tác giả Arti Pothukuchy, Jimmy Gollihar và Barrett Morrow đã mã hóa gen của họ, bao gồm một thẻ hóa học được sử dụng để tinh chế các đoạn DNA di động được gọi là plasmid ở E. coli, sau đó thu hoạch protein được gắn thẻ mà E. coli đã phát triển. Các nhà khoa học trộn các protein lại với nhau. Ban đầu, họ nghĩ rằng các protein có thể chỉ tương tác để tạo thành các cụm lớn, có cấu trúc không đều. “Nhưng sau đó, những gì chúng ta vẫn thấy là cái đỉnh kỳ lạ, ngộ nghĩnh này khoảng 12 nanomet, nhỏ hơn rất nhiều so với một khối protein lớn, nhưng lớn hơn đáng kể so với protein đơn lẻ”, Simon nói.
Họ đã đo kích thước của các hạt hình thành bằng dụng cụ Zetasizer tại Viện Vật liệu Texas của Austin Austin và xác minh rằng các hạt chứa cả protein cerulean và GFP Forster Resonance Energy Transfer (FRET), đo năng lượng truyền giữa các huỳnh quang màu khác nhau protein tạo ra huỳnh quang để đáp ứng với các năng lượng ánh sáng khác nhau để xem chúng có gần nhau không. Kính hiển vi điện tử nhuộm tiêu cực xác định cấu trúc cụ thể của các hạt, được thực hiện bởi nhóm David Taylor, trợ lý giáo sư khoa học sinh học phân tử tại UT Austin. Nó đã chỉ ra rằng hạt 12nm bao gồm một octamer xếp chồng lên nhau bao gồm mười sáu protein. “Chúng tôi thấy rằng chúng là những cấu trúc giống như những bông hoa có hình dáng đẹp,” Simon nói. Đồng tác giả Yi Zhou từ Taylor ‘
Mô hình tính toán đã tinh chỉnh các phép đo về cách thức các protein được sắp xếp thành một bức tranh rõ ràng về cấu trúc đẹp như hoa, theo Jens Glaser. “Chúng tôi đã phải đưa ra một mô hình đủ phức tạp để mô tả vật lý của các protein huỳnh quang màu xanh lá cây tích điện và trình bày tất cả các chi tiết nguyên tử có liên quan, nhưng đủ hiệu quả để cho phép chúng tôi mô phỏng điều này theo thời gian thực tế. mô hình, chúng tôi sẽ phải mất hơn một năm để có được một mô phỏng duy nhất từ máy tính, tuy nhiên máy tính nhanh như vậy, “Glaser nói.
Họ đã đơn giản hóa mô hình bằng cách giảm độ phân giải mà không hy sinh các chi tiết quan trọng của sự tương tác giữa các protein. “Đó là lý do tại sao chúng tôi sử dụng một mô hình trong đó hình dạng của protein được biểu thị chính xác bằng bề mặt phân tử, giống như mô hình được đo từ cấu trúc tinh thể của protein”, Glaser nói thêm.
Vyas Ramasubramani, một sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật hóa học tại Đại học Michigan cho biết: “Điều thực sự giúp chúng tôi xoay chuyển vấn đề này và cải thiện những gì chúng tôi có thể rút ra từ mô phỏng của mình là dữ liệu cryo-EM”. “Đó là những gì thực sự giúp chúng tôi tìm ra cấu hình tối ưu để đưa vào các mô phỏng này, sau đó giúp chúng tôi xác nhận các đối số ổn định mà chúng tôi đang đưa ra và hy vọng sẽ đưa ra dự đoán về cách chúng tôi có thể làm mất ổn định hoặc sửa đổi cấu trúc này”, Ramasubramani nói.
Các nhà khoa học đòi hỏi rất nhiều sức mạnh tính toán để thực hiện các tính toán trên thang đo mà họ muốn.
“Chúng tôi đã sử dụng XSEDE để cơ bản sử dụng các hệ thống khổng lồ này, nơi bạn có rất nhiều phần khác nhau tương tác với nhau và tính toán tất cả những điều này ngay lập tức để khi bạn bắt đầu di chuyển hệ thống của mình qua một số thời gian, bạn có thể biết về cách nó sẽ phát triển theo thời gian thực tế, “Ramasubramani nói. “Nếu bạn đã cố gắng thực hiện cùng một loại mô phỏng như chúng tôi đã làm trên máy tính xách tay, sẽ mất nhiều tháng nếu không thực sự tiếp cận để hiểu liệu một loại cấu trúc nào đó có ổn định hay không. Đối với chúng tôi, không thể sử dụng XSEDE , trong đó bạn có thể sử dụng cơ bản 48 lõi, 48 đơn vị tính toán cùng một lúc để thực hiện các phép tính này song song cao, chúng tôi sẽ làm việc này chậm hơn nhiều. “
Siêu máy tính Stampede2 tại TACC chứa 4.200 nút Intel Knight Landing và 1.736 nút tính toán Intel Skylake X. Mỗi nút Skylake có 48 lõi, đơn vị cơ bản của bộ xử lý máy tính. “Các nút Skylake của siêu máy tính Stampede2 là công cụ để đạt được hiệu suất cần thiết để tính toán các tương tác tĩnh điện này hoạt động giữa các protein tích điện trái dấu một cách hiệu quả,” Glaser nói. “Tính khả dụng của siêu máy tính Stampede2 là thời điểm thích hợp để chúng tôi thực hiện các mô phỏng này.”
Ban đầu, nhóm khoa học đã thử nghiệm mô phỏng của họ trên hệ thống Comet tại SDSC. “Khi chúng tôi lần đầu tiên tìm ra loại mô hình nào sẽ sử dụng và liệu mô hình đơn giản hóa này có cho chúng tôi kết quả hợp lý hay không, Comet là một nơi tuyệt vời để thử các mô phỏng này,” Ramasubramani nói. “Sao chổi là một thử thách tuyệt vời cho những gì chúng tôi đang làm.”
Nhìn vào bức tranh khoa học lớn hơn, các nhà khoa học hy vọng rằng công trình này thúc đẩy sự hiểu biết về lý do tại sao rất nhiều protein trong tự nhiên sẽ oligome hóa, hoặc kết hợp với nhau để tạo thành các cấu trúc phức tạp và thú vị hơn.
“Chúng tôi đã chỉ ra rằng không cần phải có một bộ kế hoạch và tương tác rất đặc biệt, được phân biệt trước để các cấu trúc này hình thành,” Simon nói. “Điều này rất quan trọng vì điều đó có nghĩa là có thể, và rất có khả năng chúng ta có thể lấy các bộ phân tử khác mà chúng ta muốn tạo ra oligome hóa và tạo ra cả hai biến thể tích điện dương và tích điện âm, kết hợp chúng và có cấu trúc được đặt hàng cụ thể cho chúng.”
Các vật liệu sinh học tự nhiên như xương, lông và vỏ có thể cứng nhưng nhẹ. “Chúng tôi nghĩ rằng lắp ráp protein siêu nạp là một cách dễ dàng hơn để phát triển loại vật liệu có tính chất tổng hợp thú vị mà không phải mất quá nhiều thời gian hoặc phải biết chính xác chúng sẽ kết hợp với nhau như thế nào trước đó”, Simon nói. “Chúng tôi nghĩ rằng điều đó sẽ tăng tốc khả năng thiết kế các vật liệu tổng hợp và để khám phá và khám phá các vật liệu protein cấu trúc nanô này.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Texas tại Austin, Trung tâm Điện toán Nâng cao Texas . Bản gốc được viết bởi Jorge Salazar. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :