Ядра человеческих клеток — это даже не самое людное биологическое место, о котором мы знаем. Некоторые бактериофаги — вирусы, которые заражают и размножаются внутри бактерии — имеют еще более концентрированную ДНК."Как он туда попадает?" — спрашивает Б. Монтгомери (Монте) Петитт, биохимик и профессор Медицинского отделения Техасского университета. «Это заряженный полимер. Как он преодолевает отталкивание при своей жидкокристаллической плотности?
Какая степень порядка и беспорядка допускается, и как это влияет на нуклеиновые кислоты?»Используя суперкомпьютеры Stampede и Lonestar5 в Техасском университете в Техасском вычислительном центре Остина (TACC), Петтитт исследует, как ДНК фагов складывается в сверхограниченные пространства.В июньском выпуске журнала Computational Chemistry за 2017 год он объяснил, как ДНК может преодолевать как электростатическое отталкивание, так и свою естественную жесткость.Ключ к этому?
Перегибы.
По словам Петтитта, введение резких изгибов или кривых в конфигурации ДНК, упакованной в сферическую оболочку, значительно снижает общую энергию и давление молекулы.Он и его сотрудники использовали модель, которая деформирует и изгибает ДНК каждые 24 пары оснований, что близко к средней длине, предсказываемой на основе последовательности ДНК фага. Введение таких устойчивых дефектов не только снижает общую энергию изгиба ограниченной ДНК, но также снижает электростатический компонент энергии и давления.«Мы показываем, что широкий набор конфигураций полимеров согласуется со структурными данными», — написали он и его сотрудник Кристофер Майерс, также из Медицинского отделения Техасского университета.
Подобные идеи нельзя получить строго в лаборатории. Им требуются суперкомпьютеры, которые служат в качестве молекулярных микроскопов, отображая движение атомов и атомных связей в масштабах длины и времени, которые невозможно изучить только с помощью физических экспериментов.
«В области молекулярной биологии существует прекрасное взаимодействие между теорией, экспериментом и моделированием», — сказал Петтитт. «Мы берем параметры экспериментов и смотрим, согласуются ли они с моделями и теориями. Это становится научным методом того, как мы теперь продвигаем наши гипотезы».
Проблемы, подобные тем, которые интересуют Петтитта, не могут быть решены на настольном компьютере или типичном кластере университетского городка, но требуют, чтобы сотни компьютерных процессоров работали параллельно, чтобы имитировать мельчайшие движения и физические силы молекул в клетке.Петитт может получить доступ к суперкомпьютерам TACC отчасти благодаря уникальной программе, известной как Инициатива Journal of Computational Chemistry, которая делает вычислительные ресурсы, опыт и обучение TACC доступными для исследователей из 14 институтов Техасского университета.«Вычислительные исследования, подобные исследованиям доктора Петитта, которые стремятся связать наше понимание физических, химических и, в конечном итоге, биологических явлений, включают в себя так много вычислений, что они действительно доступны только на больших суперкомпьютерах, таких как системы TACC Stampede или Lonestar5», — сказал Брайан Бек. , исследователь наук о жизни в TACC.
«Наличие суперкомпьютерных ресурсов TACC имеет решающее значение для этого стиля исследования», — сказал Петтитт.НАЙТИ ПОРЯДОК В НЕПОРЯДОЧЕННЫХ БЕЛКАХДругой феномен, который давно интересовал Петитта, — это поведение внутренне неупорядоченных белков (IDP) и внутренне неупорядоченных доменов, где части белка имеют неупорядоченную форму.
По словам Петтитта, в отличие от кристаллов или плотно упакованной ДНК вирусов, которые имеют отчетливую жесткую форму, ВПЛ «сворачиваются в липкую массу». И все же они важны для всех форм жизни.
Считается, что у эукариот (организмов, клетки которых имеют сложные субструктуры, такие как ядра), примерно 30 процентов белков имеют внутренне неупорядоченный домен. Более 60 процентов белков, участвующих в передаче сигналов в клетке (молекулярные процессы, которые принимают сигналы извне клетки или через клетки, которые сообщают клетке, какое поведение включать и выключать в ответ), имеют неупорядоченные домены. Точно так же 80 процентов сигнальных белков, связанных с раком, имеют участки IDP, что делает их важными молекулами для понимания.Среди вынужденных переселенцев Петитт и его группа изучают факторы ядерной транскрипции.
Эти молекулы контролируют экспрессию генов и имеют сигнальный домен, богатый гибкой аминокислотой, глицином.По словам Петтитта, сворачивание сигнального домена ядерного фактора транскрипции не вызывается водородными связями и гидрофобными эффектами, как у большинства белковых молекул.
Скорее, когда более длинные молекулы обнаруживают в пространстве слишком много глицинов, они выходят за рамки своей растворимости и начинают связываться друг с другом необычным образом.«Это все равно, что добавить в чай слишком много сахара», — объясняет Петтитт. «Слаще не станет. Сахар должен выпасть из раствора и найти партнера — превратиться в комок».В статье для журнала Protein Science в 2015 году он описал молекулярное моделирование, выполненное на Stampede, которое помогло объяснить, как и почему ВПЛ превращаются в глобулоподобные структуры.
Моделирование рассчитало силы от диполь-дипольных взаимодействий карбонила (CO) — притяжения между положительным концом одной полярной молекулы и отрицательным концом другой полярной молекулы. Он определил, что эти взаимодействия более важны в коллапсе и агрегации длинных цепей глицина, чем в образовании Н-связей.«Учитывая, что скелет является особенностью всех белков, взаимодействия CO могут также играть роль в белках с нетривиальной последовательностью, где структура в конечном итоге определяется внутренней упаковкой и стабилизирующими эффектами H-связей и взаимодействий CO-CO», — заключил он.
Исследование стало возможным благодаря распределению вычислительного времени на Stampede с помощью Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), которая поддерживается Национальным научным фондом.Петитт, давний поборник суперкомпьютеров, не только сам использует ресурсы TACC.
Он призывает других ученых, в том числе своих коллег из Центра структурной биологии и молекулярной биофизики Сили, также использовать суперкомпьютеры.«Передовые вычисления важны для анализа и уточнения данных экспериментов, рентгеновской и электронной микроскопии, а также информатики», — говорит он. «Все эти проблемы связаны с проблемами обработки больших данных, которые можно решить с помощью передовых вычислений».
Когда дело доходит до раскрытия тайн биологии в мельчайших масштабах, ничто не сравнится с гигантским суперкомпьютером.