(PhysOrg.com) -- Een belangrijk element van zowel biotechnologie als nanotechnologie is - misschien niet verrassend - computationele modellering. Vaak, in silico ontwerp en simulatie van nanostructuren gaat vooraf aan het daadwerkelijke experimenteren. Bovendien, het vermogen om modellering te gebruiken om de biomoleculaire structuur te voorspellen, legt de basis voor het daaropvolgende ontwerp van biomoleculen. historisch, het probleem was dat de meeste modelleringssoftware een afweging vormt tussen algemeen doel (om systemen te kunnen modelleren met een hoge/atomaire resolutie) maar beperkt in reikwijdte (d.w.z. onderzoekt slechts een kleine fractie conformationele ruimte rond de initiële structuur). Onlangs, echter, Wetenschappers van Stanford University hebben een algoritme ontwikkeld - geïmplementeerd in een modelleringsprogramma dat bekend staat als MOSAICS (Methodologies for Optimization and SAMpling In Computational Studies) - dat modellering op nanoschaal realiseert met de vereiste resolutie zonder beperkt te worden door het scope / grootte-dilemma. In aanvulling, de onderzoekers hebben de nieuwe computermodelleringstechniek met succes gemodelleerd - en gebenchmarkt met - op RNA gebaseerde nanostructuren.

Het onderzoeksteam – Adelene Y. L. Sim van de faculteit Technische Natuurkunde, en Prof. Michael Levitt en Dr. Peter Minary van de afdeling Structurele Biologie - stonden voor een reeks uitdagingen bij het bedenken van hun unieke algoritme. Spreken met PhysOrg , Minary en Sim beschrijven die uitdagingen. "Het verminderen van de dimensionaliteit kan fysiek relevante paden elimineren die conformationele bassins verbinden en daarom kunstmatige energiebarrières introduceren die geen obstakels vormen in de cartesiaanse ruimte, Minary vertelt PhysOrg . “In het onderhavige geval de grootste uitdaging was om een ​​algoritme te ontwikkelen dat vrijheidsgraden ondersteunt die willekeurige collectieve herschikkingen vertegenwoordigen bij een resolutie van alle atomen.”

Helaas, Minaire notities, met behulp van deze vrijheidsgraden, of DOF's, zou de ketenconnectiviteit kunnen verbreken - en de overeenkomstige conformationele ruimte wordt waarschijnlijk geassocieerd met extreem ruwe energieoppervlaktopologie. “Om deze beperkingen te overwinnen, " hij voegt toe, "minder collectieve herschikkingen hoeven alleen in de noodzakelijke mate te worden gebruikt, zodat herschikkingen langs de meer collectieve DOF's optimaal worden gefaciliteerd zonder het volume van de bemonsterde conformationele ruimte aanzienlijk te vergroten." Kortom, hun grootste uitdaging was het implementeren van een universeel algoritme dat in staat is om de conformationele ruimte te verkennen en tegelijkertijd talloze sets willekeurige en/of door de gebruiker gedefinieerde zogenaamde natuurlijke DOF's toe te staan.

Het team heeft deze problemen aangepakt, Minary zegt, door voort te bouwen op de reeds bestaande computeromgeving op hoog niveau van het MOSAICS-softwarepakket dat het gebruik van willekeurige, zelfs kettingbrekende DOF's mogelijk maakte. “Om dit concept verder te verbeteren, " hij voegt toe, “Er moest een zeer flexibele nieuwe interface worden uitgevonden die gebruikers uitnodigt om hun eigen systeemspecifieke DOF's te definiëren. In aanvulling, de interface moest ook de gewogen superpositie van willekeurige DOF's ondersteunen. Eindelijk moest er een universeel algoritme worden geïmplementeerd dat de interactie van verschillende sets DOF's realiseert." Door dat te doen, conformationele paden langs de meest collectieve moleculaire herschikkingen worden versterkt door de integratie van steeds meer gedetailleerde moleculaire flexibiliteit zonder het dimensionaliteitsprobleem significant te veranderen, die beter wordt gekwantificeerd door het conformationele volume dat moet worden bemonsterd in plaats van het werkelijke aantal DOF's.

Andere innovaties zijn ook in de maak. "In het huidige artikel hebben we laten zien dat ons algoritme voldoet aan enkele noodzakelijke voorwaarden van faseruimte, of gedetailleerde balans, het bewaren van bemonstering die niet wordt bevredigd door een van de beschikbare algoritmen die worden gebruikt om RNA-systemen te modelleren, ” Minaire notities. "Verdere inspanningen worden geïnvesteerd om volledig te voldoen aan de microscopische omkeerbaarheid." Bovendien, computationele efficiëntie kan worden verbeterd door informatie over de collectieve aard van DOF's te gebruiken bij het bijwerken van atomaire interacties, of door energiefunctionele vormen te definiëren in termen van laagdimensionale analytische coördinaten. Minary wijst erop dat de efficiëntie van de bemonstering ook kan worden verbeterd als de huidige aanpak wordt gecombineerd met enkele geavanceerde bemonsteringsalgoritmen die zijn gebaseerd op multicanonieke bemonstering die beschikbaar is in MOSAICS.

In aanvulling, hij gaat door, de beweging van expliciet water zou kunnen worden opgenomen in de hiërarchische bewegingen, zodat de effecten van solvatatie nauwkeuriger kunnen worden geëvalueerd - en het testen van de methode met verschillende impliciete oplosmiddelrepresentaties kan ook informatief zijn. "Eindelijk, " hij zegt, "we zijn van plan een gebruiksvriendelijkere – mogelijk grafische – interface te introduceren die de kloof tussen algoritmeontwikkelaars en computationele biologen zou overbruggen, natuurkundigen en scheikundigen die een groot inzicht en intuïtie hebben over de natuurlijke DOF's van verschillende moleculaire samenstellingen en complexen." Allemaal samen, alle bovengenoemde inspanningen, die de wiskundige nauwkeurigheid zou vergroten, rekensnelheid, oplosmiddeldetails en toegankelijkheid voor gebruikers, zou de grenzen van toepassingen verder kunnen verleggen dan de huidige systemen die worden overwogen.

Ondertussen, terwijl we alle noodzakelijke algoritmen ontwikkelen die hierboven zijn besproken, het team is van plan om de reeks doeltoepassingen verder uit te breiden. “Naast het modelleren van de structuur van chromatine, Minary illustreert, "we willen vragen in DNA-nanotechnologie opnieuw bekijken." Verder, het gebruik van een andere verfijningsmethode dan Cryo-EM (Cryo-Electron Microscopy, een vorm van transmissie-elektronenmicroscopie waarbij monsters worden bestudeerd bij cryogene temperaturen, en die het team al nastreeft) is ook gepland.

"We zijn van plan ons werk uit te breiden om de flexibiliteit van RNA-junctie uitgebreid te onderzoeken, ” voegt Sim toe, "en onderzoeken momenteel ook het gebruik van onze techniek bij het voorspellen van de RNA-structuur van grote RNA-systemen." Op het gebied van toepassingen, Sim gaat verder, “in de geneeskunde is het van vitaal belang om de flexibiliteit, stabiliteit, vorm en mogelijke vervormingen van nanostructuren om de kwaliteit van de nanostructuur beter te evalueren. Deze eigenschappen kunnen een cruciale rol spelen bij het dicteren van cellulaire internalisatie en/of toxiciteit van nanostructuren.”

Sim wijst erop dat met hun efficiënte modelleringstool, hoewel nog steeds afhankelijk van de kwaliteit van het gebruikte krachtveld, het team is nu beter in staat om deze eigenschappen te bestuderen in silico . "Aanvullend, Sim notities, "we onderzoeken tegelijkertijd optimalisatie in sequentie- en structuurruimte door sequentie als extra vrijheidsgraad te gebruiken." Een mogelijke toepassing is het sequentieontwerp van silencing RNA, of siRNA.

Verder weg kijkend, Minary vertelt PhysOrg , er zijn andere technologieën en toepassingen die kunnen profiteren van hun bevindingen. “Aangezien een goede bemonstering en verkenning van de conformationele ruimte een basisinstrument is dat in verschillende technologieën en toepassingen wordt gebruikt, de methode kan worden gebruikt in het ontwerp, homologiemodellering en verschillende nieuwe toepassingen zoals het modelleren van collectieve herschikkingen in transmembraaneiwitten, het ontwerpen van nieuwe nucleïnezuur nanostructuren, het modelleren van grote eiwit-nucleïnezuur assemblages, zoals het ribosoom, en de in silico studie van chromatine-remodellering. In aanvulling, " hij voegt toe, "we willen graag helpen bij het verfijnen en interpreteren van experimentele technieken." specifiek, voortbouwend op eerdere inspanningen om Cryo-EM-gegevens te verfijnen, ze willen tools ontwikkelen om NMR te analyseren, TOBBEN, SAXS, Röntgenfoto, en footprinting-experimenten om conformationele ensembles te genereren die voldoen aan experimentele beperkingen.

Eindelijk, Minary wijst erop dat het door hen ontwikkelde algoritme zeer algemeen van aard is en ook kan worden gebruikt in andere disciplines die betrekking hebben op toestandsruimten met een groot aantal variabelen die op een gecorreleerde manier veranderen. "Vooral, ’ besluit hij, “het basisidee zou kunnen worden gebruikt, maar niet beperkt tot het bemonsteren van de ruimte van mogelijke netwerken, zoals in systeembiologische toepassingen, of beursvariabelen.”

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.