Rode bloedcellen zijn geweldig. Ze halen zuurstof uit onze longen en dragen het door ons hele lichaam om ons in leven te houden. Het hemoglobinemolecuul in rode bloedcellen transporteert zuurstof door op een alles-of-niets-manier van vorm te veranderen. Vier kopieën van hetzelfde eiwit in hemoglobine openen en sluiten als bloembladen, structureel gekoppeld om op elkaar te reageren. Met behulp van supercomputers, wetenschappers zijn net begonnen met het ontwerpen van eiwitten die zichzelf assembleren om te combineren en te lijken op levengevende moleculen zoals hemoglobine. De wetenschappers zeggen dat hun methoden kunnen worden toegepast op nuttige technologieën zoals farmaceutische targeting, kunstmatige energie oogsten, 'slimme' detectie- en bouwmaterialen, en meer.

Een wetenschappelijk team deed dit door eiwitten aan te vullen, wat betekent dat ze de subeenheden van eiwitten veranderden, de aminozuren, om de eiwitten een kunstmatig hoge positieve of negatieve lading te geven. Met behulp van eiwitten afkomstig van kwallen, de wetenschappers waren in staat om een ​​complexe structuur van zestien eiwitten, bestaande uit twee gestapelde octameren, samen te stellen door alleen te superchargen, bevindingen die in januari 2019 in het tijdschrift werden gerapporteerd Natuurchemie .

Het team gebruikte vervolgens supercomputersimulaties om deze experimentele resultaten te valideren en te informeren. Supercomputertoewijzingen op Stampede2 in het Texas Advanced Computing Center (TACC) en Comet in het San Diego Supercomputer Center (SDSC) werden toegekend aan de onderzoekers via XSEDE, de Extreme Science and Engineering Discovery Environment, gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).

"We ontdekten dat door eiwitten te nemen die normaal geen interactie met elkaar hebben, we kunnen kopieën maken die ofwel zeer positief ofwel sterk negatief geladen zijn, " zei co-auteur van de studie Anna Simon, een postdoctoraal onderzoeker in het Ellington Lab van UT Austin. "Door de zeer positief en negatief geladen kopieën te combineren, we kunnen de eiwitten laten assembleren tot zeer specifieke gestructureerde assemblages, Simon zei. De wetenschappers noemen hun strategie 'supercharged protein assembly, ' waar ze gedefinieerde eiwitinteracties aansturen door gemanipuleerde supercharged-varianten te combineren.

"We hebben gebruik gemaakt van een zeer bekend en basisprincipe uit de natuur, die tegengestelde ladingen aantrekken, " voegde studie co-auteur Jens Glaser toe. Glaser is een assistent-onderzoekswetenschapper in de Glotzer Group, Afdeling Chemische Technologie aan de Universiteit van Michigan. "De groep van Anna Simon ontdekte dat wanneer ze deze geladen varianten van groen fluorescerend eiwit mengen, ze krijgen sterk geordende structuren. Dat was een echte verrassing, ' zei Glaser.

De gestapelde octameerstructuur lijkt op een gevlochten ring. Het is samengesteld uit 16 eiwitten - twee met elkaar verweven ringen van acht die op zeer specifieke, discrete pleisters. "De reden waarom het zo moeilijk is om eiwitten te manipuleren die synthetisch interageren, is dat het maken van deze interagerende patches en ze allemaal zo op een rij hebben dat ze de eiwitten in staat stellen zich te assembleren tot grotere, reguliere structuren is echt moeilijk, " legde Simon uit. Ze hebben het probleem omzeild door veel positieve en negatieve ladingen toe te voegen om varianten van groen fluorescerend eiwit (GFP) te ontwikkelen, een goed bestudeerd 'lab-muis'-eiwit afgeleid van de Aequorea victoria-kwal.

Het positief geladen eiwit, die ze cerulean fluorescerend eiwit (Ceru) +32 noemden, had extra mogelijkheden om te interageren met het negatief geladen eiwit GFP-17. "Door deze eiwitten al deze kansen te geven, deze verschillende plaatsen waar ze mogelijk met elkaar in contact kunnen komen, ze konden de juiste kiezen, Simon zei. "Er waren bepaalde patronen en interacties die er waren, beschikbaar, en energetisch begunstigd, dat we niet per se van tevoren hadden voorspeld dat ze in deze specifieke vormen zouden kunnen assembleren."

Om de gemanipuleerde geladen fluorescerende eiwitten te krijgen, Simon en co-auteurs Arti Pothukuchy, Jimmy Gollihar, en Barrett Morrow codeerden voor hun genen, inclusief een chemisch label dat wordt gebruikt voor zuivering op draagbare stukjes DNA die plasmiden worden genoemd in E. coli, vervolgens het gelabelde eiwit geoogst dat E. coli liet groeien. De wetenschappers vermengden de eiwitten met elkaar. Ze dachten in eerste instantie dat de eiwitten alleen maar zouden kunnen interageren om grote, onregelmatig gestructureerde klonten. "Maar dan, wat we bleven zien was zo raar, grappige piek rond 12 nanometer, dat was een stuk kleiner dan een grote klomp eiwit, maar aanzienlijk groter dan het enkele eiwit, " Simon zegt.

Ze maten de grootte van de deeltjes die zich vormden met behulp van een Zetasizer-instrument aan het Texas Materials Institute van UT Austin, en geverifieerd dat de deeltjes zowel cerulean- als GFP-eiwitten Förster Resonance Energy Transfer (FRET) bevatten, die de energieoverdracht tussen verschillende gekleurde fluorescerende eiwitten meet, produceert fluorescentie als reactie op verschillende lichtenergieën om te zien of ze dicht bij elkaar staan. Negatieve kleurelektronenmicroscopie identificeerde de specifieke structuur van de deeltjes, onder leiding van de groep van David Taylor, universitair docent moleculaire biowetenschappen aan de UT Austin. Het toonde aan dat het 12 nm-deeltje bestond uit een gestapeld octameer bestaande uit zestien eiwitten. "We ontdekten dat het deze prachtig gevormde bloemachtige structuren waren, "Zei Simon. Co-auteur Yi Zhou van Taylor's groep van UT Austin verhoogde de resolutie nog verder met behulp van cryo-elektronenmicroscopie om details op atomair niveau van het gestapelde octameer te onthullen.

Computational modeling verfijnde de metingen van hoe de eiwitten waren gerangschikt tot een duidelijk beeld van de mooie, bloemachtige structuur, volgens Jens Glaser. "We moesten een model bedenken dat complex genoeg was om de fysica van de geladen groene fluorescerende eiwitten te beschrijven en alle relevante atomaire details te presenteren, maar was efficiënt genoeg om ons in staat te stellen dit op een realistische tijdschaal te simuleren. Met een volledig atomistisch model, het zou ons meer dan een jaar hebben gekost om een ​​enkele simulatie uit de computer te krijgen, hoe snel de computer ook was, ' zei Glaser.

Ze vereenvoudigden het model door de resolutie te verminderen zonder belangrijke details van de interacties tussen eiwitten op te offeren. "Daarom hebben we een model gebruikt waarbij de vorm van het eiwit exact wordt weergegeven door een moleculair oppervlak, net als degene die wordt gemeten aan de kristallografische structuur van het eiwit, "voegde Glaser eraan toe.

"Wat ons echt heeft geholpen dit om te draaien en te verbeteren wat we uit onze simulaties konden halen, waren de cryo-EM-gegevens, " zei Vyas Ramasubramani, een afgestudeerde student in chemische technologie aan de Universiteit van Michigan. "Dat heeft ons echt geholpen om de optimale configuratie te vinden voor deze simulaties, die ons vervolgens hielp de stabiliteitsargumenten die we maakten te valideren, en hopelijk in de toekomst voorspellingen doen over manieren waarop we deze structuur kunnen destabiliseren of wijzigen, ' zei Ramasubramani.

De wetenschappers hadden veel rekenkracht nodig om de berekeningen uit te voeren op de schaal die ze wilden.

"We gebruikten XSEDE om in feite deze enorme systemen te nemen, waar je veel verschillende stukken hebt die met elkaar in wisselwerking staan, en bereken dit alles in één keer, zodat wanneer je je systeem een ​​tijdje vooruit gaat helpen, je zou een idee kunnen krijgen van hoe het zou evolueren op enigszins reële tijdschalen, " zei Ramasubramani. "Als je hetzelfde soort simulatie zou proberen te doen als op een laptop, het zou maanden, zo niet jaren hebben gekost om echt te begrijpen of een soort structuur al dan niet stabiel zou zijn. Voor ons, XSEDE niet kunnen gebruiken, waar je in wezen 48 cores zou kunnen gebruiken, 48 rekeneenheden tegelijk om deze berekeningen zeer parallel te maken, we zouden dit veel langzamer hebben gedaan."

De Stampede2-supercomputer bij de TACC bevat 4, 200 Intel Knights Landing en 1, 736 Intel Skylake X-rekenknooppunten. Elke Skylake-node heeft 48 cores, de basiseenheid van een computerprocessor. "The Skylake nodes of the Stampede2 supercomputer were instrumental in achieving the performance that was necessary to compute these electrostatic interactions that act between the oppositely-charged proteins in an efficient manner, " Glaser said. "The availability of the Stampede2 supercomputer was at just the right point in time for us to perform these simulations."

aanvankelijk, the science team tested their simulations on the Comet system at the SDSC. "When we were first figuring out what kind of model to use and whether this simplified model would give us reasonable results, Comet was a great place to try these simulations, " Ramasubramani said. "Comet was a great testbed for what we were doing."

Looking at the bigger scientific picture, the scientists hope that this work advances understanding of why so many proteins in nature will oligomerize, or join together to form more complex and interesting structures.

"We showed that there doesn't need to be a very specific, pre-distinguished set of plans and interactions for these structures to form, " Simon said. "This is important because it means that maybe, and quite likely we can take other sets of molecules that we want to make oligomerize and generate both positively charged and negatively charged variants, combine them, and have specifically ordered structures for them."

Natural biomaterials like bone, feathers, and shells can be tough yet lightweight. "We think supercharged protein assembly is an easier way to develop the kind of materials that have exciting synthetic properties without having to spend so much time or having to know exactly how they're going to come together beforehand, " Simon said. "We think that will accelerate the ability to engineer synthetic materials and for discovery and exploration of these nanostructured protein materials."

De studie, "Supercharging Enables Organized Assembly of Synthetic Biomolecules, " werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie in January of 2019.