Bijna een dozijn wetenschappers in het Oak Ridge National Laboratory werken samen met medische onderzoekers en maken gebruik van ORNL's grootste wetenschappelijke hulpmiddelen om een ​​hedendaagse grote uitdaging op het gebied van biologie op te lossen:het ontsluiten van de geheimen van ongeordende eiwitten. Aangenomen wordt dat deze flexibele moleculen maar liefst de helft van de eiwitten in het menselijk lichaam uitmaken, maar ze worden slecht begrepen omdat we geen manier hebben gevonden om hun eigenschappen adequaat te bestuderen.

Pas in het laatste decennium zijn wetenschappers gaan accepteren dat een derde tot de helft van de menselijke eiwitten niet de eens zo heilige regel van de moleculaire biologie volgt:eiwitten vouwen zich op tot stabiele, driedimensionale vormen. In plaats daarvan, ongeordende eiwitten circuleren constant tussen verschillende vormen. Ze zijn essentieel voor celcircuits, en hun slechte werking is direct betrokken bij ziekten zoals kanker, Alzheimer, cardiovasculaire aandoeningen, en suikerziekte. Het begrijpen van hun complexe aard zou kunnen leiden tot belangrijke nieuwe ontdekkingen van nieuwe medicijnen.

In een laboratoriumgericht onderzoeksproject dat dit jaar is gelanceerd, ORNL-wetenschappers combineren experimenten en simulatie in een poging om de innerlijke werking van deze eiwitten duidelijk te maken. Het project omvat medewerkers van het Frederick National Laboratory for Cancer Research, gesponsord door het National Cancer Institute als onderdeel van de National Institutes of Health (NIH).

De interne bewegingen van ongeordende eiwitten maken ze bijzonder moeilijk te karakteriseren, merkte Arvind Ramanathan op van de Computational Science and Engineering Division en het Health Data Sciences Institute bij ORNL. De eiwitten trotseren de standaardinstrumenten voor karakterisering, zoals röntgenkristallografie, omdat ze bestand zijn tegen kristallisatie.

"Het is alsof je 2D-foto's maakt van iemand vanuit verschillende oriëntaties en plotseling wordt je gevraagd om een ​​3D-weergave van die persoon te maken, ' zei Ramanathan.

"Stel je nu voor dat die persoon in het rond springt. Je krijgt veel rare kenmerken in die weergave en sommige delen ervan kunnen zelfs verdwijnen, ", zei hoofdonderzoeker Hugh O'Neill van de Neutron Scattering Division.

De onderzoekers zullen neutronenverstrooiing gebruiken bij de Spallation Neutron Source bij ORNL en cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) beelden van het Frederick National Laboratory om een ​​goede schatting te geven van hoe de deeltjes eruit zien in termen van algemene vorm en grootte, en om referentiepunten te leveren voor een 3D-model.

"We zijn verheugd te zien dat steeds meer laboratoria profiteren van onze gedeelde cryo-EM-faciliteit, " zei Ethan Dmitrovsky, MD, voorzitter van Leidos Biomedisch Onderzoek, Inc. en laboratoriumdirecteur van het Frederick National Laboratory. "Dit specifieke project heeft een speciaal potentieel voor een nieuw onderzoeksgebied dat het lijden van patiënten met kanker en andere ziekten zou kunnen verlichten."

Neutronen zijn gevoelig voor waterstof, niet-destructief, en ze maken het mogelijk om de eiwitten in realtime te bestuderen, onder reële omstandigheden. De cryo-EM-methode uitgevoerd bij Frederick-beelden bevroren, gehydrateerde exemplaren, waardoor moleculaire resolutie mogelijk is zonder dat er kleurstoffen of fixatieven nodig zijn. Onderzoekers zullen zich specifiek richten op het neurofibromatose type 1 eiwit en zijn interacties met bindende partners. Van mutaties in NF1 is bekend dat ze neurofibromatose veroorzaken en zijn betrokken bij kanker.

De gegevens ondergaan een proces van door algoritmen geleide reconstructie om "ruis" in de afbeeldingen te elimineren. Vervolgens zal het resulterende model worden gebruikt in computersimulaties met behulp van machine learning om bepaalde regio's van de eiwitten te verkennen om een ​​beter begrip te krijgen van de oriëntatie van deeltjes.

Combineren van cryo-EM, kleine hoekverstrooiing, en berekening zal het mogelijk maken om atomistische modellen te genereren om een ​​resolutie van minder dan nanometer voor deze eiwitten te bereiken.

"In principe, de experimentatoren zullen omgaan met de kleine hoekverstrooiing, het kristallografiewerk en de cryo-EM. Dan zullen de computerwetenschappers al deze ongelijksoortige experimentele gegevens nemen en dat samenvoegen om ons een beeld te geven van hoe het eiwit eruit ziet, ' zei O'Neill.

Bij het project zijn wetenschappers betrokken van drie directoraten bij ORNL:Neutron Sciences, Informatica en computationele wetenschappen, en Energie- en Milieuwetenschappen.

"Computatie verbindt het allemaal. Dat zal worden, I denk, heel gebruikelijk in structurele biologie - dit idee van het integreren van verschillende experimentele modaliteiten die met elkaar zijn verbonden door berekening, " voegde Ramanathan eraan toe.

In feite, de wetenschappers verwachten dat het rekenwerk een van de eerste projecten zal zijn die gebruik zullen maken van Summit, gepland om dit jaar online te komen als 's werelds slimste, open-source supercomputer voor toepassingen van kunstmatige intelligentie bij DOE's Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) bij ORNL.

"Dit werk is een prachtig voorbeeld van hoe we meerdere wetenschappelijke gebruikersfaciliteiten kunnen combineren, in dit geval, het OLCF, de [DOE] Spallation Neutronenbron, en Frederick National Laboratory's National Cryo-Electron Microscopy Facility bij Frederick National Laboratory om zowel DOE- als NIH-missies te bevorderen, " zei Paul Gilna, directeur biosecurity en biomedische initiatieven bij ORNL.

Het onderzoek heeft niet alleen toepassingen voor ORNL's werk in de biomedische ruimte, maar is ook relevant voor zijn werk op het gebied van bio-energie en kwiktoxiciteit - gebieden die relevant zijn voor het biologische en milieuonderzoeksprogramma van DOE. Het onderzoek zou, bijvoorbeeld, helpen wetenschappers microben te ontwikkelen die beter zijn in het verteren en omzetten van grondstofplanten in biobrandstoffen.