Web-baseret open source-program bestemmer proteinstrukturer

ContaMiner er en webbaseret, open source-program udviklet af et unikt tværfagligt team i King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudi Arabien. Dette program sparer allerede tid for internationale forskere.

"Hvor meget kan du forstå og reparere en bil, hvis du ikke har et detaljeret billede af, hvad der foregår under motorhjelmen?" sagde KAUST-lektor Stefan Arold. "Proteiner er livets arbejdsheste:deres funktion og dysfunktion både skaber liv og afslutter det. Hvert proteins aminosyresekvens folder sig ind i en bestemt 3-D struktur, der kræves for at understøtte dets funktion. Hvis du vil forstå, påvirke eller konstruere et proteins funktion, du skal kende dens 3-D struktur, " forklarede han.

Processen til at bestemme denne struktur begynder med at rense og krystallisere proteinet, der undersøges. Proteinkrystallen bliver derefter bombarderet af ekstremt kraftige røntgenstråler, som diffrakterer i forskellige retninger, giver en indikation af dens struktur. Forskere anvender derefter "molekylær erstatning, ", som sammenligner målproteinkrystallen med 3D-strukturen af ​​andre kendte lignende proteiner.

Men for forskerne at sammenligne deres protein med lignende, først skal de vide, hvordan dets aminosyrer er arrangeret. ContaMiner kan hjælpe forskere med at afgøre, om de overhovedet kigger på det rigtige protein til at begynde med.

"Det protein, vi krystalliserede, er måske ikke det protein, vi troede, det var, men i stedet en ukendt forurening, " forklarede Arold. Proteinbaserede forureninger kan, oftere end tidligere antaget, blive krystalliseret i stedet for, eller i tillæg til, det undersøgte protein. Disse kan komme fra den organisme, der oprindeligt producerede proteinet eller forekomme under oprensnings- eller krystallisationsprocessen.

"Forskere spilder ofte måneders arbejde, før de identificerer fejlen og identiteten af ​​proteinforureningen, som de utilsigtet havde krystalliseret, sagde Arold.

Arolds team har arbejdet utrætteligt på at kompilere en foreløbig database, kaldet ContaBase, af 62 kendte forurenende stoffer. "Forurenende stoffer var et kendt, men undervurderet problem, fordi mange tilfælde blev uopdaget, " sagde Arold. Selv i tilfælde, hvor forurenende stoffer endeligt identificeres, denne information bliver ofte upubliceret, da eksperimentet blev betragtet som en fiasko. Ofte rapporterer forskere spørgsmål om forurening i onlinefora i stedet for peer-reviewede publikationer. "På grund af dette, ingen havde en god idé om, hvor mange og hvilke forurenende stoffer der kunne forekomme og krystallisere, " fortsatte han.

ContaMiner ændrer dette. Nu, forskere kan indsende deres røntgendiffraktionsdata til programmet, som sammenligner det med en opdaterbar database over kendte forurenende stoffer. "Hvis der er en forurening til stede, ContaMiner kan typisk opdage det på kun 5-15 minutter, sagde Arold.

Flere hundrede forskere har brugt programmet, siden det først blev beskrevet i slutningen af ​​2016 i Journal of Applied Crystallography. Mange fra krystallografisamfundet har hjulpet med at opdatere ContaBase til nu at inkludere 71 forurenende stoffer. "Det er en løbende samfundsindsats, " sagde Arold. ContaMiner er også blevet udvalgt til at blive inkluderet i en online server, kaldet CCP4, som er en meget selektiv samling af software relateret til strukturel biologi og er den mest udbredte ressource på verdensplan, forklarede Arold.

Mens de har international indflydelse, Arold og hans team spiller også en afgørende rolle i det lokale videnskabelige samfund gennem deres unikke sæt af færdigheder. KAUST-teamet kombinerer ekspertise inden for molekylærbiologi, biokemi, biofysik, bioinformatik og beregning for at undersøge proteinstrukturer og funktion. Det er den eneste gruppe involveret i strukturel biologi i kongeriget og, under opsyn af strukturbiolog Stefan Arold, det etablerer også vigtige lokale samarbejder.

I øjeblikket samarbejder de med forskere på King Fahd Specialist Hospital and Research Center for at identificere genmutationer, der forårsager sygdomme i den saudiske befolkning. Arold bruger sin ekspertise, sammen med beregningsmodellering, at forstå, hvorfor specifikke mutationer forårsager proteinfejl. "Det er spændende, hvor meget skade en enkelt mutation kan forårsage," sagde han. "Det giver os også et glimt af den ufattelige sofistikering og kompleksitet i vores kroppe.

Arold og hans team arbejdede også for nylig sammen med KAUST planteforsker Mark Tester og et mangfoldigt internationalt team for at forstå det molekylære grundlag for produktionen af ​​giftige forbindelser, kaldet saponiner, i nogle, men ikke alle quinoa-stammer.

"Har regionen brug for flere strukturelle biologer?" spurgte Arold. "Efter min partiske mening, selvfølgelig ja. I særdeleshed, eksperter i nuklear magnetisk resonansspektroskopi, som er yderst komplementær til røntgenkrystallografi." Han slår også til lyd for, at biologer udvikler mere bevidsthed om vigtigheden af ​​strukturel biologi for deres forskning.

"Klogt, KAUST har investeret massivt i strukturel biologi; og biologisk billeddannelse generelt er klart et prioriteret område. Vi har fremragende ressourcer, såsom 700 og 950 megahertz kernemagnetisk resonansbilleddannelsesspektrometre og TITAN KRIOS-elektronmikroskopet.

Og selvom jeg i øjeblikket er den eneste strukturelle biolog, Jeg er måske ikke alene meget længere, " sagde Arold. Forhandlinger er allerede i gang for at bringe flere talenter til institutionen.