Supercomputer helfen, supercharge protein assembly: XSEDE Zuweisungen Stampede2-und Comet-speed-simulation von protein-oligomeren

Verwendung von Proteinen aus Quallen, Wissenschaftlern zusammengesetzt eine komplexe sechzehn protein-Struktur, bestehend aus zwei übereinander octamers durch Aufladung allein. Diese Forschung angewandt werden könnten, um nützliche Technologien wie der Pharma-targeting, künstlichen energy-harvesting, intelligente Sensorik und Baustoffe, und vieles mehr. Computational Modellierung durch XSEDE Zuweisungen Stampede2 (TACC) und Comet (SDSC) verfeinert Messungen der Struktur.

Rote Blutkörperchen sind erstaunlich. Sie Holen den Sauerstoff von unserer Lunge auf und transportieren ihn über unsere Körper, um uns am Leben zu halten. Das Hämoglobin-Molekül in den roten Blutkörperchen transportiert Sauerstoff durch seine Form zu verändern, in eine alles-oder-nichts-fashion. Vier Kopien des gleichen proteins in Hämoglobin öffnen und schließen sich wie Blütenblätter, strukturell gekoppelt, Sie reagieren auf jede andere. Mithilfe von Supercomputer sind die Wissenschaftler gerade erst anfangen zu design Proteine, die sich selbst zusammensetzen, kombinieren und ähneln Leben spendenden Molekülen wie Hämoglobin. Die Wissenschaftler sagen, dass Ihre Methoden, die angewandt werden könnten, um nützliche Technologien wie der Pharma-targeting, künstlichen energy-harvesting, intelligente Sensorik und Baustoffe, und vieles mehr.

Ein Wissenschafts-team hat diese Arbeit durch Aufladung Proteine, was bedeutet, dass Sie verändert die Untereinheiten der Proteine, der Aminosäuren, der Proteine, die eine künstlich hohe positive oder negative Ladung. Verwendung von Proteinen aus Quallen, die Wissenschaftler waren in der Lage zu montieren ein Komplexes sechzehn protein-Struktur, bestehend aus zwei übereinander octamers durch Aufladung allein Ergebnisse, die gemeldet wurden im Januar 2019 in der Fachzeitschrift Nature Chemistry.

Das team dann verwendet, supercomputer-Simulationen zu validieren und informieren diese experimentellen Ergebnisse. Supercomputer Zuweisungen Stampede2 an der Texas Advanced Computing Center (TACC) und Kometen am San Diego Supercomputer Center (SDSC) erhielten die Forscher durch XSEDE, die Extreme Science and Engineering Discovery Environment gefördert von der National Science Foundation (NSF).

„Wir fanden, dass durch die Einnahme von Proteinen, die normalerweise nicht miteinander interagieren, können wir Kopien anfertigen, die sind entweder sehr positiv oder sehr negativ aufgeladen“, sagte Studie co-Autor Anna Simon, ein Postdoc-Forscher in der Ellington-Labor der UT Austin. „Die Kombination der hoch positiv und negativ geladenen Kopien, können wir die Proteine zusammensetzen, die in sehr spezifischen, strukturierten Versammlungen“, sagte Simon. Die Wissenschaftler nennen Ihre Strategie “ supercharged protein assembly,‘ wo Sie fahren definiert-protein-Interaktionen durch die Kombination von engineered aufgeladenen Varianten.

„Wir ausgenutzt, eine sehr bekannte und grundlegende Prinzip der Natur, dass entgegengesetzte Ladungen anziehen“, fügte Studie co-Autor Jens Glaser. Glaser ist wissenschaftlicher Mitarbeiter wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Glotzer Group, Department of Chemical Engineering an der University of Michigan. „Anna Simon die Gruppe fand, dass, wenn Sie mischen diese aufgeladenen Varianten des grün fluoreszierenden proteins, die Sie bekommen, hoch geordnete Strukturen. Das war eine echte überraschung,“ Glaser sagte.

Die gestapelten octamer-Struktur sieht aus wie ein geflochtener ring. Es besteht aus 16 Proteine-zwei Ineinander verschlungenen Ringen von acht interagieren in ganz bestimmten, diskreten patches. „Der Grund, warum es so schwer ist zu Ingenieur-Proteinen interagieren und synthetisch ist, dass diese Interaktion patches und dass Sie alle line-up rechts, so dass Sie ‚ll können die Proteine zu montieren in größeren, regelmäßigen Strukturen, ist wirklich hart“, erklärte Simon. Sie haben etwa das problem durch das hinzufügen viele positive und negative Ladungen zu Ingenieur-Varianten des grün fluoreszierenden proteins (GFP), ein gut untersuchtes ‚lab-Maus“ – protein, abgeleitet aus der Qualle Aequorea victoria.

Das positiv geladene protein, die Sie genannt cerulean fluoreszierende protein (Ceru) 32, hatte weitere Möglichkeiten zur Interaktion mit den negativ geladenen protein GFP -17. „Indem Sie diese Proteine alle diese Möglichkeiten, diese verschiedenen Orte, an denen Sie möglicherweise interagieren, Sie waren in der Lage, die richtigen wählen“, sagte Simon. „Es wurden bestimmte Muster und Interaktionen, die dort waren, zur Verfügung und energetisch begünstigt, dass wir nicht unbedingt Vorhersagen, im Voraus, die es erlauben würde, Sie zu montieren in dieser spezifischen Formen.“

Um die engineered geladene fluoreszierende Proteine, Simon und co-Autoren Arti Pothukuchy, Jimmy Gollihar, und Barrett Morrow codiert die Gene, einschließlich eine Chemische-tag verwendet für die Reinigung auf tragbare Stücke der DNA, sogenannte Plasmide in E. coli, dann geerntet, die tagged protein, E. coli wuchs. Die Wissenschaftler gemischt und die Proteine zusammen. Sie zunächst dachte, dass die Proteine möglicherweise nur interagieren, sich zu großen, unregelmäßig strukturierte Klumpen. „Aber dann, was wir immer sahen, war dieses seltsame, lustige peak von etwa 12 Nanometern, das war eine Menge kleiner als ein großer Klumpen von protein, aber deutlich größer als die single-protein“, sagte Simon.

Sie Maßen die Größe der Partikel, gebildet mit einem Zetasizer instrument an der Texas Materials Institute der UT Austin, und verifiziert, dass die Teilchen, die sowohl cerulean und GFP-Proteine FöFörster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET), die Maßnahmen der Energie-transfer zwischen den verschiedenen farbige fluoreszierende Proteine produzieren Fluoreszenz in Reaktion auf die verschiedenen Energien des Lichts zu sehen, wenn Sie eng zusammen. Negative stain-Elektronen-Mikroskopie identifed die spezifische Struktur der Partikel, die von der Gruppe von David Taylor, assistant professor für molekulare Biowissenschaften an der UT Austin. Es zeigte sich, dass die 12 nm Partikel Bestand aus einem gestapelten octamer aus sechzehn Proteine. „Wir fanden, dass Sie diese schön geformte Blume-ähnliche Strukturen“, sagte Simon. Co-Autor Yi Zhou von der Taylor-Gruppe der UT Austin erhöht die Auflösung noch weiter mit Kryo-Elektronenmikroskopie zu zeigen atomic-level-details der gestapelten octamer.

Computational Modellierung verfeinert die Messungen, wie die Proteine wurden arrangiert in einem klaren Bild von der schönen, die Blume-Struktur, nach Jens Glaser. „Wir hatten zu kommen mit einem Modell, das war Komplex genug, um zu beschreiben, die Physik der geladenen grün fluoreszierende Proteine und präsentieren Sie alle relevanten atomistischen details, doch war effizient genug, um es uns ermöglichen, simulieren diese auf einen realistischen Zeitrahmen. Mit einer völlig atomistischen Modell, es würde genommen haben uns über ein Jahr Zeit, um eine einzelne simulation aus dem computer, aber schnell war der computer,“ Glaser sagte.

Sie vereinfacht das Modell durch eine Verringerung der Auflösung ohne Einbußen bei der wichtige details der Wechselwirkungen zwischen Proteinen. „Deshalb verwendeten wir ein Modell, bei dem die Form des proteins wird genau dargestellt, durch eine molekulare Oberfläche, genau wie die, die, gemessen von der kristallographischen Struktur des proteins,“ Glaser Hinzugefügt.

„Was uns wirklich geholfen, drehen Sie es um und verbessern, was wir konnten, um aus unseren Simulationen wurde die Kryo-EM-Daten“, sagte Vyas Ramasubramani, ein student im Aufbaustudium in der Industriechemie an der Universität von Michigan. „Das ist es, was uns wirklich dabei geholfen, die optimale Konfiguration, um in diesen Simulationen, die dann half uns der Validierung der Stabilität Argumente, die wir machten, und hoffentlich geht vorwärts, Vorhersagen zu machen über die Möglichkeiten, die wir destabilisieren oder zu modifizieren diese Struktur,“ Ramasubramani sagte.

Der Wissenschaftler benötigt viel Rechenleistung zu tun, die Berechnungen auf die Waage, die Sie wollten.

„Wir XSEDE, um im Grunde nehmen diese riesigen Systeme, wo du viele verschiedene Stücke miteinander interagieren, und berechnen Sie all dies auf einmal, so dass, wenn Sie beginnen, verschieben Sie Ihr system nach vorne durch den Anschein zu erwecken, Zeit, könnten Sie eine Ahnung, wie es im Begriff war, sich zu entwickeln auf etwas real ablaufender,“ Ramasubramani sagte. „Wenn Sie versucht haben zu tun die gleiche Art von simulation, die wir haben auf einem laptop, es hätte noch Monate, wenn nicht Jahre, um wirklich Ansatz verstehen, ob oder ob nicht irgendeine Art von Struktur würde stabil sein. Für uns, die nicht in der Lage zu verwenden XSEDE, wo könnten Sie im wesentlichen 48 Kerne, 48 compute-units, alles auf einmal zu machen, diese Berechnungen hochgradig parallel, wir hätten dabei viel langsamer.“

Die Stampede2 supercomputer an der TACC enthält über 4200 Intel Knights Landing und 1,736 Intel Skylake X compute-Knoten. Jeder Skylake Knoten hat 48 Kerne, die grundlegende Einheit von einem computer-Prozessor. „Die Skylake Knoten des Stampede2 supercomputer waren maßgeblich bei der Erreichung der Leistung, die notwendig war, um die Berechnung dieser elektrostatischen Wechselwirkungen, die wirken zwischen den entgegengesetzt geladenen Proteine in einer effizienten Art und Weise,“ Glaser sagte. „Die Verfügbarkeit der Stampede2 supercomputer war genau zum richtigen Zeitpunkt für uns, um diese Simulationen.“

Zunächst, das science-team getestet Ihre Simulationen auf dem Comet-system des SDSC. „Als erstes wurden wir, herauszufinden, welche Art von Modell zu verwenden, und ob in diesem vereinfachten Modell würde uns vernünftige Ergebnisse, Comet war ein großartiger Ort, um zu versuchen, diese Simulationen,“ Ramasubramani sagte. „Der Komet war ein großes Experimentierfeld für das, was wir tun.“

Betrachten der größeren wissenschaftlichen Bild, die Wissenschaftler hoffen, dass diese Arbeit Fortschritte zu verstehen, warum so viele Proteine in der Natur wird oligomerize, oder sich zusammenzuschließen, um der form mehr komplexe und interessante Strukturen.

„Wir haben gezeigt, dass es nicht brauchen, zu einem sehr spezifischen, vorab definierten Satz von Plänen und Interaktionen für diese Strukturen zu bilden“, sagte Simon. „Dies ist wichtig, weil es bedeutet, dass vielleicht, und sehr wahrscheinlich können wir andere Gruppen von Molekülen, die wir machen wollen oligomerize und generieren sowohl positiv geladene und negativ geladene Varianten zu kombinieren, und müssen speziell bestellt Strukturen für Sie.“

Natürliche Biomaterialien wie Knochen, Federn und Muscheln kann schwierig sein, noch leichte. „Wir denken, Kompressor-protein-Montage ist ein einfacher Weg, um zu entwickeln die Art von Materialien, die spannende synthetischen Eigenschaften, ohne so viel Zeit zu verbringen oder, um genau zu wissen, wie Sie gehen, um zusammen zu kommen zuvor“, sagte Simon. „Wir denken, das beschleunigt die Fähigkeit, Ingenieur, synthetische Materialien und für die Entdeckung und Erforschung dieser nanostrukturierten protein-Materialien.“