Bioinformatik-computerprogrammer hjælper biologer med at forstå iboende forstyrrede proteiner

Proteiner er livets byggesten og biologiske agenser. De er drivkræfter for vækst og udvikling og spredning af vira og bakterier, og har nøgleroller i sygdomsforløb og stort set alle cellulære funktioner. Efterhånden som forskerne får viden om proteiner, mekanismerne bag biologiske mysterier afsløres.

For at hjælpe med at kaste lys over proteiners funktion, Virginia Commonwealth University-forsker Lukasz Kurgan, Ph.D., næstformand for Datalogisk Afdeling på Ingeniørhøjskolen, har udviklet en række bioinformatikprogrammer for at hjælpe biologer med at udvikle indsigt i funktionerne af iboende forstyrrede proteiner. Denne gruppe af proteiner mangler en fast struktur, hvilket betyder, at de er helt eller delvist fleksible og amorfe.

I løbet af de sidste mange årtier, Forskere har sekventeret 85 millioner unikke proteiner, både struktureret og ustruktureret, men ved stadig ikke hvad langt de fleste af disse proteiner gør. Efterhånden som flere proteiner opdages, mere sofistikerede computerprogrammer skal udvikles for at hjælpe med at bestemme deres funktioner.

"Vi har manuelt kureret, men forstår mindre end 1 procent af disse proteiner, og lige nu er der over 80 millioner at løse, " sagde Kurgan, en Qimonda-begavet professor og dataforsker. "Et program kan løse disse proteiner hurtigere end et enkelt menneske og kan hjælpe forskere med at fremskynde hypotesegenerering."

Løsning af gåden

At bestemme et proteins funktion bliver endnu mere udfordrende, når et protein er helt eller delvist forstyrret. Når et protein har en defineret struktur, forskere bruger tidligere viden og bioinformatikprogrammer til først at dechifrere den struktur, som så er med til at bestemme funktionen. Hvis proteinet er forstyrret, biologer henvender sig til programmer bygget af Kurgan og andre computerforskere, der bruger prædiktive modeller til at generere brugbare hypoteser om proteinets funktion.

Siden 2008 har Kurgan har udviklet fire programmer til dette formål. Dette forår, hans hold blev tildelt en $500, 000 tilskud fra National Science Foundation til at udvikle efterfølgende programmer. Indtil nu, Kurgans programmer har mere end 7, 000 brugere fra mere end 1, 300 byer i 96 lande.

Kurgan har også udviklet seks programmer, der afgør, om et protein er forstyrret eller ej. I 2012 hans MFDp-program blev rangeret som tredje ud af 28 deltagere i det halvårlige verdensomspændende CASP10-eksperiment, som evaluerer effektiviteten af ​​computer- og menneskelige forudsigere for iboende lidelse. I 2014 Kurgans laboratorium udgav DisoRDPbind, det første program til at forudsige flere funktioner af iboende forstyrrede proteiner.

Kurgans programmer bruger eksisterende samlinger af data om proteiner, hvis funktioner er blevet bestemt til at bygge prædiktive modeller for at kortlægge funktionerne af ukendte iboende forstyrrede proteiner.

"Detaljerne er ikke nemme. At bygge disse modeller kræver en lille smule kunst, teori og erfaring, " sagde Kurgan.

Nye ideer til uorden

Det er et almindeligt accepteret faktum blandt forskere, at forstyrrede proteiner, svarende til deres strukturerede modstykker, har væsentlige funktioner. Denne påstand blev først mødt med vantro, som det i første omgang er almindeligt med mange videnskabelige opdagelser.

"For omkring 30 år siden, da uordnede proteiner blev opdaget, der var mange benægtere. Nogle mennesker sagde, at dette kun er støj i proteinstrukturerne, " sagde Kurgan. "Nu, lidelse som en mekanisme for biologi er en accepteret kendsgerning. Bare fordi et protein ikke har nogen defineret struktur, betyder ikke, at det er ubrugeligt. Det fungerer bare på en anden måde."

Nu, dechiffreringsforstyrrelse er et samarbejde i det videnskabelige samfund, og forskellige programmer fra flere enheder samles for at give forskellige tilgange til at bestemme funktionerne af forstyrrede proteiner. Kurgan har arbejdet med forskere fra University of South Florida, Indiana University, og Tianjin og Nankai Universiteter i Kina, på en undersøgelse, der brugte hans programmer til at opdage forekomsten af ​​indre lidelse i tæt på 1, 000 arter fra alle livets riger. Adskillige andre kollaborative undersøgelser har fokuseret på de funktionelle roller af indre lidelse i HIV, Hepatitis C og dengue vira.

"Tilsammen kan vi skubbe grænserne for, hvad der bliver gjort, " sagde Kurgan. "Det er ikke baseret på indsatsen fra en bestemt forsker eller gruppe. I fællesskab hjælper vi hinanden."