2019-03-30 05:20:02
超级计算机有助于增强蛋白质组装

红细胞是惊人的。他们从我们的肺部吸收氧气,并将它们带到我们的身体,让我们活着。红细胞中的血红蛋白分子通过以全有或全无的方式改变其形状来传输氧气。血红蛋白中相同蛋白质的四个拷贝像花瓣一样打开和关闭,在结构上相互耦合以相互作用。使用超级计算机,科学家们刚刚开始设计自组装的蛋白质,以组合和类似生命的分子,如血红蛋白。科学家表示,他们的方法可以应用于有用的技术,如药物靶向,人工能量收集,“智能”传感和建筑材料等。

一个科学团队通过增加蛋白质来完成这项工作,这意味着他们改变了蛋白质的亚基,即氨基酸,使蛋白质产生人为的高正电荷或负电荷。使用来自水母的蛋白质,科学家们能够通过单独增压装配由两个堆叠的八聚体组成的复杂的十六种蛋白质结构,这些发现于2019年1月在“自然化学”杂志上报道。

然后,该团队使用超级计算机模拟验证并通知这些实验结果。德克萨斯高级计算中心(TACC)上的Stampede2和圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)的Comet的超级计算机分配通过国家科学基金会(NSF)资助的极端科学和工程发现环境XSEDE授予研究人员。

研究报告的共同作者,西蒙特奥斯汀Ellington实验室的博士后研究员安娜西蒙说:“我们发现,通过摄取通常不会相互作用的蛋白质,我们可以制作出高度正面或高度负电荷的复制品。” 。 “结合高度正电荷和带负电荷的复制品,我们可以将蛋白质组装成非常特殊的结构化组件,”Simon说。科学家将他们的策略称为“超荷电蛋白组装”,它们通过结合工程化的超荷电变体来驱动确定的蛋白质相互作用。

研究报告的共同作者Jens Glaser补充说:“我们从自然界中利用了一个非常着名和基本的原则,相反的收费吸引了”。 Glaser是密歇根大学化学工程系Glotzer Group的助理研究员。 “安娜西蒙的小组发现,当他们混合这些绿色荧光蛋白的带电变体时,它们会得到高度有序的结构。这真是一个惊喜,”格拉泽说。

堆叠的八聚体结构看起来像编织环。它由16种蛋白质组成 - 两个相互交织的八个环,在非常特殊的,谨慎的斑块中相互作用。 “为什么设计合成相互作用的蛋白质如此困难的原因在于,制作这些相互作用的补丁并使它们全部对齐以便它们允许蛋白质组装成更大,更规则的结构非常困难,”Simon解释道。他们解决了这个问题,为绿色荧光蛋白(GFP)的工程变体添加了许多正面和负面的指控,这是一种来自维多利亚水母(Aequorea victoria)水母的经过充分研究的“实验室小鼠”蛋白质。

带正电的蛋白质,他们称之为天蓝色荧光蛋白(Ceru)+32,具有与带负电荷的蛋白GFP -17相互作用的额外机会。 “通过给这些蛋白质提供所有这些机会,这些不同的地方,他们可以互动,他们能够选择正确的,”西蒙说。 “有一些模式和相互作用存在,可用,并且在能量上受到青睐,我们不一定事先预测它们会使它们组装成这些特定的形状。”

为获得工程化的带电荧光蛋白,Simon和合着者Arti Pothukuchy,Jimmy Gollihar和Barrett Morrow编码了他们的基因,包括用于在大肠杆菌中称为质粒的便携式DNA片段上纯化的化学标签,然后收获标记的蛋白质大肠杆菌生长。科学家将蛋白质混合在一起。他们最初认为蛋白质可能只是相互作用形成大的,不规则结构的团块。 “然而,我们一直看到的是这个奇怪的,有趣的峰值在12纳米左右,比一大块蛋白质小得多,但比单一蛋白质大得多,”西蒙说。

他们测量了在德克萨斯州奥斯汀材料研究所使用Zetasizer仪器形成的颗粒尺寸,并证实颗粒含有蔚蓝和GFP蛋白质Förster共振能量转移(FRET),它测量不同颜色荧光之间的能量转移。蛋白质响应不同的光能产生荧光,看它们是否紧密相连。负染色电子显微镜鉴定了颗粒的特定结构,由UT奥斯汀分子生物科学助理教授David Taylor小组进行。它表明12nm粒子由16个蛋白质组成的堆积八聚体组成。 “我们发现它们是这些形状漂亮的花状结构,”西蒙说。来自Taylor的UT Austin小组的共同作者Yi Zhou使用低温电子显微镜进一步提高了分辨率,以揭示堆叠八聚体的原子级细节。

根据Jens Glaser的说法,计算建模改进了蛋白质如何排列成美丽的花状结构的清晰图像的测量结果。 “我们必须提出一个足够复杂的模型来描述带电荷的绿色荧光蛋白的物理特性,并提供所有相关的原子细节,但它足够高效,可以让我们在一个真实的时间尺度上模拟它。模型,我们需要一年多的时间才能从计算机中获得一次模拟,无论计算机速度如何,“格拉泽说。

他们通过降低分辨率简化了模型,同时又不牺牲蛋白质之间相互作用的重要细节。 “这就是为什么我们使用的模型,其中蛋白质的形状由分子表面精确表示,就像从蛋白质的晶体结构测量的那样,”Glaser补充说。

密歇根大学化学工程专业的研究生Vyas Ramasubramani说:“真正帮助我们扭转局面,改善我们能够从模拟中得到的是冷冻EM数据。” “这才是真正帮助我们找到最佳配置以进行这些模拟,然后帮助我们验证我们正在制定的稳定性论点,并希望能够预测我们可以破坏或修改这种结构的方式,”Ramasubramani说。

科学家需要大量的计算能力来按照他们想要的规模进行计算。

“我们使用XSEDE来基本上采用这些庞大的系统,在这些系统中你有许多不同的部分相互交互,并一次计算所有这些,这样当你开始将系统向前移动一段时间时,你就可以得到一个想法关于如何在一些真实的时间尺度上演变,“Ramasubramani说。 “如果你试图进行我们在笔记本电脑上进行的同样的模拟,那么真正理解某种结构是否稳定需要数月甚至数年时间。对我们来说,不能使用XSEDE在那里你可以同时使用48个核心,48个计算单元来使这些计算高度并行,我们本来会这么慢。“

TACC上的Stampede2超级计算机包含4,200个Intel Knights Landing和1,736个Intel Skylake X计算节点。每个Skylake节点都有48个核心,是计算机处理器的基本单元。 “Stampede2超级计算机的Skylake节点有助于实现计算这些静电相互作用所必需的性能,这种相互作用以高效的方式在相反电荷的蛋白质之间起作用,”格拉泽说。 “Stampede2超级计算机的可用性恰好是我们进行这些模拟的正确时间点。”

最初,科学团队在SDSC的Comet系统上测试了他们的模拟。 “当我们第一次弄清楚使用什么样的模型以及这种简化模型是否能给我们带来合理的结果时,Comet是尝试这些模拟的好地方,”Ramasubramani说。 “Comet对于我们正在做的事情来说是一个很好的测试平台。”

从更大的科学图片来看,科学家们希望这项工作能够促进对为什么自然界中的许多蛋白质寡聚化,或者联合起来形成更复杂和有趣的结构的理解。

“我们表明,不需要为这些结构形成一套非常具体的,预先区分的计划和互动,”西蒙说。 “这很重要,因为它意味着可能,我们很可能会采取其他一组我们想要进行低聚反应并产生带正电荷和带负电荷的变体,将它们结合起来,并为它们配置特别有序的结构。”

天然生物材料如骨头,羽毛和贝壳可以坚韧而轻盈。西蒙说:“我们认为增压蛋白质组装是开发具有令人兴奋的合成特性的材料的一种更简单的方法,而不必花费太多时间或者必须确切地知道它们将如何预先聚集在一起。” “我们认为这将加速设计合成材料以及发现和探索这些纳米结构蛋白材料的能力。”

该研究“增压使合成生物分子有组织的组装”于2019年1月发表在“自然化学”杂志上。

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