Met behulp van de Titan-supercomputer en de Spallation Neutron Source van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, wetenschappers hebben het meest nauwkeurige 3D-model tot nu toe gemaakt van een intrinsiek ongeordend eiwit, het onthullen van het geheel van zijn atomaire structuren.

Zoals de naam aangeeft, een IDP neemt geen bevel aan, statische structuur zoals andere eiwitten; in plaats daarvan, het is flexibel en kan meerdere 3D-structuren aannemen. Dit gebrek aan een unieke structuur is noodzakelijk voor de biologische functie van de IDP, maar maakt het technisch uitdagend om te bestuderen. IDP's kunnen een geheel eiwit zijn of een domein van een anderszins gestructureerd eiwit, en ze vormen een groot deel van de mens, microbe, en plantaardige eiwitten.

Loukas Petridis, een stafwetenschapper bij het Centrum voor Moleculaire Biofysica van ORNL, heeft een team van onderzoekers geleid naar een nieuwe manier om nauwkeurige fysieke modellen van dergelijke flexibele biosystemen te creëren, die kunnen leiden tot een beter begrip van hun biologische functies. In de afgelopen drie jaar, het team heeft neutronenverstrooiingsexperimenten gecombineerd met verbeterde bemonsteringsmoleculaire dynamica (MD) -simulaties die zo rekenkundig veeleisend zijn dat ze de verwerkingskracht van Titan nodig hadden, de onlangs ontmantelde 27 petaflop Cray XK7 bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL.

"Het bestuderen van deze ontheemden is best moeilijk, vanuit beide perspectieven van experimenten en modellering, " zei Utsab Shrestha, de hoofdauteur van de paper van het team, onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . "We hebben er niet alleen over nagedacht vanuit experiment of simulatie alleen, we hadden zo gepland dat we beide benaderingen zouden combineren - ze zouden combineren op een manier dat we preciezere informatie over ontheemden zouden krijgen. specifiek, simulaties hebben ons geholpen om een ​​nauwkeurig ensemble van IDP met atomaire resolutie te genereren, die moeilijk te bepalen is uit experimenten alleen."

Typisch, onderzoekers voeren experimenten uit zoals kleine-hoek neutronenverstrooiing, kleine hoek röntgenverstrooiing, of nucleaire magnetische resonantie om flexibele biologische systemen te onderzoeken. Echter, deze methoden bieden geen gedetailleerd beeld op atomair niveau van de 3D-structuren van een IDP, bekend als zijn configuratie-ensemble. Verder, ze kunnen alleen ensemble-gemiddelde data produceren, in plaats van de specifieke onderliggende eiwitstructuurconfiguraties. Wetenschappers hebben ook computersimulaties van IDP uitgevoerd en vergeleken met dergelijke experimenten, in de hoop dezelfde resultaten te krijgen om de nauwkeurigheid van hun modellen te verifiëren.

"Maar uiteindelijk zijn ze het niet eens met de experimenten, "Zei Petridis. "En vanwege de discrepantie tussen de simulaties en de experimenten, ze moeten de simulaties opnieuw wegen - ze moeten de simulatieresultaten aanpassen om ze overeen te laten komen met de experimenten, wat frustrerend is. Dat was de stand van de techniek tot ons werk."

Computer-MD-simulaties uitgevoerd door Shrestha gebruikten verbeterde bemonsteringsmethoden die erin slaagden niet alleen experimenten met neutronenverstrooiing te matchen - uitgevoerd door Viswanathan Gurumoorthy en zijn collega's bij SNS, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL, maar ook eerder gepubliceerde NMR-gegevens. Deze MD-simulaties gebruiken fysica om te bepalen hoe eiwitten bewegen. De sleutel tot het succes van het team was het gelijktijdig uitvoeren van veel MD-simulaties op Titan, waardoor de simulaties met elkaar kunnen communiceren en informatie kunnen uitwisselen.

"Dit is erg belangrijk omdat het de simulatie in staat stelt een grotere configuratieruimte te bemonsteren, meer van de driedimensionale structuren op een efficiëntere manier verkennen, "Zei Petridis. "Daarom kan deze MD met verbeterde bemonstering resultaten opleveren die de normale MD-simulatie niet kan produceren. We zouden jarenlang een normale MD-simulatie moeten uitvoeren om dezelfde resultaten te krijgen."

De IDP die het team koos om te bestuderen, is het N-terminale domein van c-Src-kinase, wat een belangrijk signaaleiwit is bij mensen. Mutaties in dit complexe eiwit zijn gecorreleerd met kanker, waardoor het ook een belangrijk doelwit voor geneesmiddelen is. Bij het in kaart brengen van dit voorheen duistere domein, de wetenschappers waren in staat om nieuwe informatie over de 3D-structuren te ontdekken die eerdere methoden niet hadden getoond. Bijvoorbeeld, hoewel het grotendeels ongeordend is, dit eiwit vormt tijdelijke geordende structuren, zoals helices.

"De combinatie van experimenten met neutronenverstrooiing en simulatie is zeer krachtig, "Zei Petridis. "Validatie van de simulaties in vergelijking met experimenten met neutronenverstrooiing is essentieel om vertrouwen te hebben in de simulatieresultaten. De gevalideerde simulaties kunnen dan gedetailleerde informatie opleveren die niet direct door experimenten wordt verkregen."

Het gedetailleerde computermodel van het 3D-structuurensemble van de IDP opent de deur naar meer experimenten. Bijvoorbeeld, wetenschappers konden het effect van fosforylering (de toevoeging van een fosfaatgroep aan het eiwit dat de functie van het eiwit kan reguleren) simuleren om te zien welke structurele veranderingen plaatsvinden in c-Src-kinase die de functie ervan kunnen beïnvloeden. Ook zou de rol van mutaties kunnen worden onderzocht:als een onderzoeker een aminozuur in de keten verandert, hoe beïnvloedt dit de structuur of het ensemble van structuren?

"Er zijn veel onbeantwoorde vragen voor met name c-Src-kinase die kunnen worden beantwoord in termen van de interacties met andere partners - het effect van fosforylering, het effect van mutaties, ' zei Petridis.

Naast de mogelijke wetenschappelijke toepassingen voor het model zelf, Petridis ziet kansen om het gebruik van high-performance computing toe te passen voor het uitvoeren van verbeterde sampling MD om de structuren van vele andere belangrijke IDP's te bestuderen, die inzicht zouden kunnen geven in hun functie. En breder, het team wil simulatietechnologieën ontwikkelen die neutronenverstrooiingsprofielen met een kleine hoek kunnen reproduceren van nog complexere biologische systemen.

"We willen niet alleen de ongeordende eiwitten onderzoeken - we willen veel grotere systemen hebben die geordende en ongeordende domeinen bevatten die mogelijk interageren met membranen of DNA, "Zei Petridis. "Neutronenverstrooiing is, volgens mij, de beste experimentele techniek om deze systemen met meerdere componenten te onderzoeken, bijvoorbeeld een eiwit dat interageert met een membraan of een eiwit dat interageert met DNA. Maar, nog altijd, neutronenverstrooiing heeft nauwkeurige simulaties nodig om de gegevens beter te interpreteren."