Een biologisch mysterie ligt in het centrum van elk van onze cellen, namelijk:hoe een meter DNA kan worden opgepropt in de ruimte van een micron (of een miljoenste van een meter) in elke kern van ons lichaam.

De kernen van menselijke cellen zijn niet eens de meest dichtbevolkte biologische plaats die we kennen. Sommige bacteriofagen - virussen die een bacterie infecteren en repliceren - hebben zelfs nog meer geconcentreerd DNA.

"Hoe komt het daar binnen?" B. Montgomery (Monte) Pettitt, een biochemicus en professor aan de University of Texas Medical Branch, vraagt. "Het is een geladen polymeer. Hoe overwint het de afstoting bij zijn vloeibare kristallijne dichtheid? Hoeveel orde en wanorde is toegestaan, en hoe speelt dit een rol bij nucleïnezuren?"

Met behulp van de Stampede en Lonestar5 supercomputers aan de Universiteit van Texas in Austin's Texas Advanced Computing Center (TACC), Pettitt onderzoekt hoe het DNA van fagen zich vouwt tot hyperbegrensde ruimtes.

Schrijven in het juni 2017 nummer van de Journal of Computational Chemistry , hij legde uit hoe DNA zowel elektrostatische afstoting als zijn natuurlijke stijfheid kan overwinnen.

De sleutel om dit te doen? Knikken.

De introductie van scherpe wendingen of bochten in configuraties van DNA verpakt in een bolvormige envelop vermindert de algehele energie en druk van het molecuul aanzienlijk, volgens Pettit.

Hij en zijn medewerkers gebruikten een model dat het DNA elke 24 basenparen vervormt en knikt. die dicht bij de gemiddelde lengte ligt die wordt voorspeld op basis van de DNA-sequentie van de faag. De introductie van dergelijke hardnekkige defecten vermindert niet alleen de totale buigenergie van opgesloten DNA, maar vermindert ook de elektrostatische component van de energie en druk.

"We laten zien dat een breed ensemble van polymeerconfiguraties consistent is met de structurele gegevens, hij en medewerker Christopher Myers, ook van de medische afdeling van de Universiteit van Texas, schreef.

Inzichten als deze kunnen niet alleen in het lab worden verkregen. Ze hebben supercomputers nodig die dienen als moleculaire microscopen, het in kaart brengen van de beweging van atomen en atoombindingen op lengte- en tijdschalen die niet haalbaar zijn om alleen met fysieke experimenten te bestuderen.

"Op het gebied van moleculaire biologie, er is een prachtig samenspel tussen theorie, experimenteren en simuleren, " zei Pettitt. "We nemen parameters van experimenten en kijken of ze overeenkomen met de simulaties en theorieën. Dit wordt de wetenschappelijke methode voor hoe we nu onze hypothesen naar voren brengen."

Problemen zoals die waar Pettitt in geïnteresseerd is, kunnen niet worden opgelost op een desktopcomputer of een typisch campuscluster, maar vereisen honderden computerprocessors die parallel werken om de minieme bewegingen en fysieke krachten van moleculen in een cel na te bootsen.

Pettitt heeft toegang tot de supercomputers van TACC, gedeeltelijk dankzij een uniek programma dat bekend staat als de Journal of Computational Chemistry initiatief, waardoor de computerbronnen van TACC, expertise en training beschikbaar voor onderzoekers binnen de 14 instellingen van de University of Texas Systems.

"Computeronderzoek, zoals die van Dr. Pettitt, die ons begrip van fysieke, chemisch, en uiteindelijk biologische verschijnselen, omvat zoveel berekeningen dat het alleen echt benaderbaar is op grote supercomputers zoals TACC's Stampede of Lonestar5-systemen, " zei Brian Beck, een life sciences-onderzoeker bij TACC.

"Het beschikbaar hebben van TACC-supercomputerbronnen is van cruciaal belang voor deze stijl van onderzoek, ' zei Pettit.

DE BESTELLING VINDEN IN ONGEOORDE EIWITTEN

Een ander fenomeen dat Pettitt al lang interesseert, is het gedrag van intrinsiek ongeordende eiwitten (IDP's) en intrinsiek ongeordende domeinen, waar delen van een eiwit een ongeordende vorm hebben.

In tegenstelling tot kristallen of het sterk verpakte DNA in virussen, die onderscheiden, stijve vormen, IDP's "vouwen op tot een kleverige puinhoop, " volgens Pettitt. En toch zijn ze cruciaal voor alle vormen van leven.

Er wordt aangenomen dat in eukaryoten (organismen waarvan de cellen complexe substructuren hebben zoals kernen), ongeveer 30 procent van de eiwitten heeft een intrinsiek ongeordend domein. Meer dan 60 procent van de eiwitten die betrokken zijn bij celsignalering (moleculaire processen die signalen van buiten de cel of over cellen heen nemen die de cel vertellen welk gedrag als reactie moet worden in- en uitgeschakeld) hebben ongeordende domeinen. evenzo, 80 procent van de kankergerelateerde signaaleiwitten heeft IDP-regio's, waardoor ze belangrijke moleculen zijn om te begrijpen.

Onder de ontheemden die Pettitt en zijn groep bestuderen zijn nucleaire transcriptiefactoren. Deze moleculen regelen de expressie van genen en hebben een signaaldomein dat rijk is aan het flexibele aminozuur, glycine.

De vouwing van het signaaldomein van de nucleaire transcriptiefactor wordt niet veroorzaakt door waterstofbinding en hydrofobe effecten, zoals de meeste eiwitmoleculen, volgens Pettit. Liever, wanneer de langere moleculen te veel glycines in een ruimte vinden, ze gaan verder dan hun oplosbaarheid en gaan op ongebruikelijke manieren met elkaar om.

"Het is alsof je te veel suiker in je thee doet, Pettitt legt uit. "Sterker wordt het niet. De suiker moet uit de oplossing vallen en een partner vinden - neerslaan in een klontje."

Inschrijven Eiwitwetenschap in 2015, hij beschreef moleculaire simulaties uitgevoerd op Stampede die hielpen te verklaren hoe en waarom IDP's instorten in bolvormige structuren.

De simulaties berekenden de krachten van carbonyl (CO) dipool-dipool-interacties - aantrekkingen tussen het positieve uiteinde van een polair molecuul en het negatieve uiteinde van een ander polair molecuul. Hij stelde vast dat deze interacties belangrijker zijn bij de ineenstorting en aggregatie van lange strengen glycine dan de vorming van H-bindingen.

"Aangezien de ruggengraat een kenmerk is van alle eiwitten, CO-interacties kunnen ook een rol spelen in eiwitten met een niet-triviale sequentie, waarbij de structuur uiteindelijk wordt bepaald door inwendige pakking en de stabiliserende effecten van H-bindingen en CO-CO-interacties, " concludeerde hij.

Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door een toewijzing van rekentijd op Stampede via de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), die wordt ondersteund door de National Science Foundation.

Pettitt, een lange tijd kampioen van supercomputing, gebruikt niet alleen zelf TACC-middelen. Hij moedigt andere geleerden aan, waaronder zijn collega's van het Sealy Center for Structural Biology and Molecular Biophysics, om ook supercomputers te gebruiken.

"Advanced computing is belangrijk voor data-analyse en dataverfijning van experimenten, Röntgen- en elektronenmicroscopie, en informatica, "zegt hij. "Al deze problemen hebben problemen met de verwerking van grote gegevens die kunnen worden aangepakt met behulp van geavanceerde computers."

Als het gaat om het ontrafelen van de mysteries van de biologie op de kleinste schaal, er gaat niets boven een gigantische supercomputer.