Фундаментальные исследования, поддерживаемые суперкомпьютерами, могут помочь разработать новые стратегии и улучшить технологии для борьбы с инфекционными и генетическими заболеваниями.
Вирусы, такие как страшный коронавирус тяжелого острого респираторного синдрома 2, полагаются на мембрану клетки-хозяина, чтобы резко согнуть и в конечном итоге высвободить реплицированные вирусы, попавшие в ловушку внутри клетки. Ученые использовали суперкомпьютерное моделирование, чтобы предложить механизм такого отпочкования вирусов. Более того, связанное исследование также использовало моделирование, чтобы найти механизм того, как ДНК всего живого добавляет основание к своей растущей цепи во время репликации.
Исследование ремоделирования клеточной мембраны, важного для размножения вирусов, роста и коммуникации клеток, а также других биологических процессов, было опубликовано в Интернете в журнале Biophysical Journal в феврале 2020 года. Соавтор исследования Цян Цуй также принимал участие в исследовании. о добавлении оснований ДНК, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, декабрь 2019 г. Цян Цуй - профессор кафедры химии, физики и биомедицинской инженерии Бостонского университета.
Cui также является главным исследователем обоих исследований в области суперкомпьютерного времени, присужденного через XSEDE, Среду экстремальных наук и инженерных открытий, финансируемую Национальным научным фондом. «Суперкомпьютеры с массовым распараллеливанием очень нужны, чтобы раздвинуть границы бимолекулярного моделирования», - сказал Цуй.
Его научная группа разработала суперкомпьютерное моделирование клеточной мембраны, в частности филаментов белка Vps32, основного компонента эндосомального сортирующего комплекса, необходимого для транспортного комплекса (ESCRT-III), который был главным подозреваемым в движущей силе это заставляет клеточную мембрану формировать почки в процессе, называемом инвагинацией мембраны. Белки ESCRT функционируют в цитозоле, жидкости внутри клеток, окружающих органеллы, клеточные субъединицы. Они выполняют различные работы, такие как создание органелл; сортировка вторсырья в ячейке и выброс отходов и многое другое.
Электронная микроскопия показывает, что белок Vps32 полимеризуется или собирается в штопор во время инвагинации мембраны. Авторы исследования стремились установить, заставляют ли атомистические силы внутри Vps32 изгибаться и скручиваться, в конечном итоге оттягивая и отпочковываясь от мембраны. К сожалению, экспериментальным исследованиям в настоящее время не хватает разрешения, чтобы охарактеризовать белок-мембранные взаимодействия, которые приводят к деформации мембраны.
Научная группа использовала атомистическое моделирование молекулярной динамики для исследования межбелковых границ в одномерных структурах нитей в растворе, а также для поиска остатков, скрепляющих нить. Они также изучили интерфейс белок-мембрана, используя модель тримера Vps32.
«Я думаю, что наиболее интересным наблюдением является то, что полимер ESCRTIII, который мы изучали, имеет явный внутренний поворот», - сказал Цуй. «Это говорит о том, что скручивающее напряжение, которое накапливается по мере роста полимера на поверхности, может играть важную роль в создании трехмерного коробления мембраны. В прошлом люди больше внимания уделяли изгибу нити».
«Мы также явно показали, что N-концевая спираль действительно создает явную кривизну», - добавил Цуй. «Люди размышляли об этом раньше, поскольку известно, что амфипатические спирали делают то же самое в других системах».
Амфипатические молекулы содержат как влаголюбивые (гидрофильные), так и влаголюбивые (гидрофобные) части.«Тем не менее, явное отображение искривления, вызванного атомистическими силами, важно, потому что даже более поздние исследования, по-видимому, утверждают, что Vps32 сам по себе не может создавать кривизну мембраны», - сказал Цуй. Предложенный механизм, подтвержденный моделированием, в основном включает в себя первоначальное углубление, а затем выталкивание из мембраны по мере роста штопорообразной белковой нити Vps32, что в конечном итоге вызывает инвагинацию шейки мембраны.
Моделирование систем, содержащих до двух миллионов атомов, стало большим препятствием для Цюя и его коллег. Они подали заявку и получили время на супервычисления через XSEDE, а также завершили моделирование на системе Stampede2 в Техасском передовом вычислительном центре UT Austin.
«Stampede2 сыграл решающую роль в создании этих относительно крупномасштабных моделей мембран», - сказал Цуй.
Хотя это исследование является чисто исследовательским, полученные знания могут принести пользу обществу. «Ремоделирование мембран - важный процесс, лежащий в основе многих важных клеточных функций и событий, таких как синаптическая передача и вирусная инфекция. Понимание механизма ремоделирования мембран поможет предложить новые стратегии борьбы с болезнями человека, вызванными нарушением процесса слияния мембран, или предотвратить вирусную инфекцию - актуальная тема в наши дни, учитывая быстрое распространение нового коронавируса», - сказал Цуй.
Cui также является соавтором вычислительного исследования, в котором использовалось моделирование суперкомпьютера для определения химического механизма реакции добавления нуклеотидов, используемой в клетке для добавления нуклеотидных оснований к растущей цепи ДНК.
«Сделая это с помощью вычислений, мы также можем определить роль каталитического иона металла магния, который находится в активном центре фермента ДНК-полимеразы», - сказал соавтор исследования Дэниел Ростон, ассистент проекта. ученый кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Этот металл вызывает споры в литературе. Никто точно не знал, что он там делает. Мы думаем, что он играет важную каталитическую роль."
ДНК-полимераза добавляет нуклеотиды гуанин, аденин, тимин, цитозин (G-A-T-C) к ДНК, удаляя протон с конца растущей цепи посредством реакции с молекулой воды. «Когда мы говорим в исследовании, что молекула воды служит основанием, она служит основанием для удаления протона, кислотно-щелочной химии. То, что остается после удаления протона, гораздо более химически активно для реакции с новым нуклеотидом. это нужно добавить в ДНК», - сказал Ростон.
Химия требует многократных переносов протона в сложном активном центре. Экспериментальные исследования с использованием рентгеновской кристаллографии не смогли различить множество возможных путей реакции.
Моделирование предлагает дополнение к кристаллографии, потому что вы можете моделировать все атомы водорода и запускать симуляции молекулярной динамики, где вы позволяете всем атомам двигаться в моделировании и видеть, куда они хотят двигаться, и какие взаимодействия помогая им добраться туда, куда им нужно», - сказал Ростон.«Наша роль заключалась в том, чтобы провести эти симуляции молекулярной динамики и протестировать различные модели движения атомов во время реакции, а также протестировать различные взаимодействия, которые этому способствуют».
Количество расчетов энергии, необходимых для завершения моделирования молекулярной динамики, было огромным, порядка 10e8-10e9 для системы с тысячами атомов и множеством сложных взаимодействий. Это потому, что временные шаги при правильном разрешении имеют порядок фемтосекунд, 10e-15 секунд.
«Химические реакции, жизнь не происходят так быстро», - сказал Ростон. «Это происходит во временной шкале, когда люди разговаривают друг с другом. Преодоление этого разрыва во временной шкале во много-много порядков требует множества шагов в ваших симуляциях. Это очень быстро становится неразрешимым с вычислительной точки зрения».
«Одна из замечательных особенностей XSEDE заключается в том, что мы можем использовать массу вычислительных мощностей», - добавил Ростон. Через XSEDE Ростон и его коллеги использовали около 500 000 часов ЦП в системе Comet в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего. Комета позволила им одновременно запускать множество различных симуляций, которые дополняют друг друга.
Сказал Ростон: «Репликация ДНК - это то, чем является жизнь. Мы добираемся до сути того, как это происходит, действительно фундаментальный процесс жизни, какой мы ее знаем на Земле. Это настолько важно, что мы действительно должны понять, как это работает на глубоком уровне. Но есть и важные аспекты технологии, такие как CRISPR, которые используют преимущества такого рода работы для разработки систем для манипулирования ДНК. Понимание деталей того, как жизнь эволюционировала, чтобы манипулировать ДНК будет играть роль в нашем понимании и нашей способности использовать технологии в будущем».
«Молекулярное моделирование механических свойств и мембранной активности комплексов ESCRT-III» было опубликовано онлайн в журнале Biophysical Journal в феврале 2020 года. Соавторами исследования являются Таракнатх Мандал и Цян Цуй из Бостонского университета; Уилсон Лох, Саверио Э. Спаньоли и Анджон Одья из Университета Висконсин-Мэдисон. Финансирование исследования поступило от Национального научного фонда. Вычисления также частично поддерживаются Shared Computing Cluster, который находится в ведении Research Computing Services Бостонского университета.
«Обширное моделирование свободной энергии идентифицирует воду как основание при добавлении нуклеотидов с помощью ДНК-полимеразы» было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences в декабре 2019 года. Соавторами исследования являются Дэниел Ростон из Университета Калифорния Сан-Диего; Даррен Демапан из Университета Висконсин-Мэдисон; и Цян Цуй из Бостонского университета. Финансирование исследования поступило от Национального института здоровья.