Wat maakt dat kevlar een kogel stopt, op atomair niveau?

De eigenschappen van materialen komen voort uit hun moleculaire of atomaire structuur, toch blijven veel details tussen de micro en de macro een mysterie voor de wetenschap. Wetenschappers doen actief onderzoek naar het rationele ontwerp van gerichte supramoleculaire architecturen, met als doel hun structurele dynamiek en hun reactie op omgevingssignalen te ontwikkelen.

Een team van chemici aan de Universiteit van Californië, San Diego (UCSD) heeft nu een tweedimensionaal eiwitkristal ontworpen dat schakelt tussen toestanden van verschillende porositeit en dichtheid. Dit is een primeur in biomoleculair ontwerp dat experimentele studies combineerde met berekeningen op supercomputers. Het onderzoek, gepubliceerd in april 2018 in Natuurchemie , zou kunnen helpen bij het creëren van nieuwe materialen voor hernieuwbare energie, medicijn, water Zuivering, en meer.

"We hebben een uitgebreide reeks moleculaire dynamica-simulaties en experimenten gedaan, die de basis verklaarde van de ongebruikelijke structurele dynamiek van deze kunstmatige eiwitten, op basis waarvan we rationele beslissingen konden nemen en de structurele dynamiek van de vergadering konden veranderen, " zei co-auteur van de studie Akif Tezcan, een professor in de chemie en biochemie aan de UCSD.

Het team van Tezcan werkte met het eiwit L-rhamnulose-1-fosfaataldolase (RhuA), die was gemodificeerd met cysteïne-aminozuren in zijn vier hoeken op positie 98 (C98RhuA). Hij en zijn groep hadden eerder werk gepubliceerd over de zelfassemblage van dit kunstmatige, tweedimensionale eiwitarchitectuur, waarvan hij zei dat hij een interessant gedrag vertoonde dat auxeticiteit wordt genoemd.

"Deze kristallijne assemblages kunnen feitelijk in samenhang openen en sluiten, "Zei Tezcan. "Zoals ze doen, ze krimpen of breiden gelijk uit in X- en Y-richtingen, wat het tegenovergestelde is van wat normale materialen doen. We wilden onderzoeken waar deze bewegingen aan te wijten zijn en wat ze regeert." Een voorbeeld van auxeticiteit is te zien in de Hoberman Sphere, een speelgoedbal die uitzet door zijn schaarachtige scharnieren wanneer je de uiteinden uit elkaar trekt.

"Ons doel was om hetzelfde te kunnen doen, eiwitten gebruiken als bouwstenen, om nieuwe soorten materialen met geavanceerde eigenschappen te creëren, "Zei Tezcan. "Het voorbeeld dat we hier bestuderen, was in wezen de vrucht van die inspanningen, waar we dit specifieke eiwit gebruikten dat een vierkante vorm heeft, die we aan elkaar vastmaakten via chemische verbindingen die omkeerbaar waren en werkten als scharnieren. Hierdoor konden deze materialen zeer goed geordende kristallen vormen die ook dynamisch waren vanwege de flexibiliteit van deze chemische bindingen, die ons deze nieuwe, opkomende eigenschappen."

Controle van het openen en sluiten van de poriën in de C98RhuA-eiwit 2-D-roosters zou specifieke moleculaire doelen kunnen vangen of vrijgeven die nuttig zijn voor medicijnafgifte of het creëren van betere batterijen met meer onderzoek, zei Tezcan. Of ze kunnen selectief biologische moleculen passeren of de doorgang blokkeren en water filteren.

"Ons idee was om complexe materialen te kunnen bouwen, zoals evolutie heeft gedaan, eiwitten gebruiken als bouwstenen, ' zei Tezcan.

De manier waarop het team van Tezcan dat deed, was om eerst de eiwitten in E. coli-bacteriecellen tot expressie te brengen en ze te zuiveren, waarna ze de vorming van de chemische verbindingen induceerden die de kristallen van C98RhuA creëren, die variëren als functie van hun oxidatietoestand, door toevoeging van redox-actieve chemicaliën.

"Zodra de kristallen zijn gevormd, de grote karakterisering wordt de openheid of nabijheid van de kristallen zelf, " legde Tezcan uit, die werd bepaald door statistische analyse van honderden afbeeldingen die zijn vastgelegd met behulp van elektronenmicroscopie.

De experimenten gingen hand in hand met berekeningen, voornamelijk simulaties van alle atomen met behulp van de NAMD-software die is ontwikkeld aan de Universiteit van Illinois in Urbana Champaign door de groep van wijlen biofysicus Klaus Schulten.

Het team van Tezcan gebruikte een gereduceerd systeem van slechts vier aan elkaar gekoppelde eiwitten, die oneindig kan worden betegeld om tot op de bodem uit te zoeken hoe het kristal opent en sluit. "Het gereduceerde systeem stelde ons in staat om deze berekeningen voor ons haalbaar te maken, omdat er nog honderdduizenden atomen zijn, zelfs in dit gereduceerde systeem, " zei Tezcan. Zijn team maakte gebruik van functies die specifiek zijn voor C98RhuA, zoals het gebruik van een enkele reactiecoördinaat die overeenkomt met de openheid ervan. "We waren echt in staat om dit model te valideren als representatief voor wat we in het experiment hebben waargenomen, ' zei Tezcan.

De moleculaire simulaties van alle atomen van de C98RhuA-kristalroosters werden gebruikt om het vrije-energielandschap in kaart te brengen. Dit energielandschap ziet eruit als een natuurlijk landschap, met valleien, bergen, en bergpassen, verklaarde studie co-auteur Francesco Paesani, een professor in de chemie en biochemie aan de UCSD.

"De valleien worden de meest stabiele configuraties van je eiwitassemblages, "Paesani zei, die het moleculaire systeem verkiest boven energie te verspillen om over een berg te gaan. En de bergpassen wijzen de weg van de ene stabiele constructie naar de andere.

"Typisch, Vrije-energieberekeningen zijn erg duur en uitdagend, omdat je in wezen alle mogelijke configuraties van een moleculair systeem dat duizenden atomen bevat, probeert te bemonsteren. En je wilt weten hoeveel posities deze atomen kunnen innemen tijdens een simulatie. Het kost veel tijd en veel computerbronnen, ' zei Paesani.

Om deze en andere rekenkundige uitdagingen aan te gaan, Paesani heeft supercomputertoewijzingen gekregen via XSEDE, de Extreme Science and Engineering Discovery-omgeving, gefinancierd door de National Science Foundation.

"Gelukkig, XSEDE heeft ons een toewijzing gegeven op Maverick, de GPU-computerclusters in het Texas Advanced Computing Center (TACC), " zei Paesani. Maverick is een toegewijd hulpmiddel voor visualisatie en gegevensanalyse, ontworpen met 132 NVIDIA Tesla K40 "Atlas" grafische verwerkingseenheden (GPU) voor visualisatie op afstand en GPU-computing voor de nationale gemeenschap.

"Dat was erg handig voor ons, omdat de NAMD-software die we gebruiken heel goed draait op GPU's. Dat stelt ons in staat om de berekeningen in ordes van grootte te versnellen, " zei Paesani. "Tegenwoordig, we kunnen ons berekeningen veroorloven waar we tien jaar geleden niet eens van konden dromen vanwege deze ontwikkelingen, zowel op de NAMD-software als op de hardware. Al deze computerclusters die XSEDE biedt, zijn eigenlijk best nuttig voor alle moleculaire dynamische simulaties."

Via XSEDE, Paesani gebruikte verschillende supercomputersystemen, inclusief Gordon, Komeet, en schragen in het San Diego Supercomputer Center; Kraken bij het National Institute for Computational Sciences; en Ranger, stormloop, en Stampede2 bij TACC.

"Omdat alle simulaties op GPU's werden uitgevoerd, Maverick was de perfecte keuze voor dit soort toepassingen, ' zei Paesani.

Berekening en experiment werkten samen om resultaten te produceren. "Ik vind dit een mooi voorbeeld van de synergie tussen theorie en experiment, " zei Paesani. "Experiment stelde de eerste vraag. Theorie en computersimulatie beantwoordden die vraag, enig inzicht geven in het mechanisme. En dan gebruikten we computersimulatie om voorspellingen te doen en de experimenten te vragen om de geldigheid van deze hypothesen te testen. Alles werkte heel goed omdat de simulaties de experimenten aan het begin uitlegden. De voorspellingen die werden gedaan, werden aan het einde bevestigd door de experimenten. Het is een voorbeeld van de perfecte synergie tussen experimenten en theoretische modellering."

Tezcan voegde eraan toe dat "chemici traditioneel graag complexe moleculen bouwen uit eenvoudigere bouwstenen, en men kan zich een dergelijke combinatie van ontwerpen voorstellen, experiment en berekening voor kleinere moleculen om hun gedrag te voorspellen. Maar het feit dat we het kunnen doen op moleculen die zijn samengesteld uit honderdduizenden atomen is vrij ongekend."

Het wetenschappelijke team gebruikte ook moleculaire dynamica-simulaties om de rol van water bij het sturen van de roosterbeweging van C98RhuA rigoureus te onderzoeken. "Deze studie toonde ons hoe belangrijk de actieve rol van water is bij het beheersen van de structurele dynamiek van complexe macromoleculen, die in de biochemie over het hoofd kan worden gezien, "Zei Tezcan. "Maar deze studie toonde aan, erg duidelijk, dat de dynamiek van deze eiwitten actief wordt aangedreven door waterdynamiek, wat volgens mij het belang van water naar voren brengt."

Rob Alberstein, afgestudeerde student in de Tezcan-groep en eerste auteur van het artikel Nature Chemistry, toegevoegd "De kern van dit onderzoek is begrijpen hoe de eigenschappen van materialen voortkomen uit de onderliggende moleculaire of atomaire structuur. Het is heel moeilijk te beschrijven. In dit geval hebben we echt geprobeerd die verbinding zo duidelijk mogelijk te maken als we het zelf konden begrijpen en echt tonen niet alleen vanaf het experiment, waar we kunnen kijken naar het gedrag op macroschaal van deze materialen, maar dan met de berekening dat gedrag weer relateren aan wat er werkelijk aan de hand is op de schaal van moleculen. Terwijl we ons als samenleving blijven ontwikkelen, we moeten nieuwe materialen ontwikkelen voor nieuwe soorten mondiale vraagstukken (waterzuivering, enzovoort), dus het begrijpen van deze relatie tussen atomaire structuur en de materiële eigenschap zelf en het vermogen om die te voorspellen, zal steeds belangrijker worden."