Samling af store videnskabelige værktøjer til at kaste lys over fleksible proteiner

Næsten et dusin videnskabsmænd på tværs af Oak Ridge National Laboratory arbejder sammen med medicinske forskere og udnytter ORNLs største videnskabelige værktøjer til at løse en moderne biologi stor udfordring:at låse op for uordnede proteiners hemmeligheder. Disse fleksible molekyler menes at udgøre så meget som halvdelen af ​​proteinerne i den menneskelige krop, men de er dårligt forståede, fordi vi ikke har fundet en måde at studere deres egenskaber på.

Det er først i det sidste årti, at videnskabsmænd er kommet til at acceptere, at alt fra en tredjedel til halvdelen af ​​menneskelige proteiner ikke følger den engang så hellige regel for molekylærbiologi:proteiner foldes til stabile, tredimensionelle former. I stedet, uordnede proteiner cykler konstant mellem forskellige former. De er essentielle for cellekredsløb, og deres fejlfunktion er direkte impliceret i sygdomme som kræft, Alzheimers, kardiovaskulære tilstande, og diabetes. At forstå deres komplekse natur kan føre til vigtige nye lægemiddelopdagelser.

I et laboratoriestyret forskningsprojekt, der blev lanceret i år, ORNL-forskere kombinerer eksperimenter og simulering i et forsøg på at bringe klarhed over disse proteiners indre funktion. Projektet inkluderer samarbejdspartnere fra Frederick National Laboratory for Cancer Research - sponsoreret af National Cancer Institute som en del af National Institutes of Health (NIH).

Uordnede proteiners indre bevægelser gør dem særligt svære at karakterisere, bemærkede Arvind Ramanathan fra Computational Science and Engineering Division og Health Data Sciences Institute på ORNL. Proteinerne trodser standardværktøjerne til karakterisering, såsom røntgenkrystallografi, fordi de modstår at blive krystalliseret.

"Det er som at tage 2-D-billeder af en person fra forskellige orienteringer, og pludselig bliver du bedt om at lave en 3-D-gengivelse af den person, " sagde Ramanathan.

"Forestil dig nu, hvis den person hopper rundt. Du vil få en masse mærkelige funktioner i den gengivelse, og nogle dele af den kan endda forsvinde, " sagde hovedefterforsker Hugh O'Neill fra Neutron Scattering Division.

Forskerne vil bruge neutronspredning ved Spallation Neutron Source ved ORNL og kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) billeder fra Frederick National Laboratory for at give et godt skøn over, hvordan partiklerne ser ud med hensyn til overordnet form og størrelse, og at levere referencepunkter til en 3-D model.

"Vi er glade for at se flere og flere laboratorier udnytte vores fælles cryo-EM facilitet, " sagde Ethan Dmitrovsky, M.D., formand for Leidos Biomedicinsk Forskning, Inc. og laboratoriedirektør for Frederick National Laboratory. "Dette projekt har et særligt potentiale for et nyt forskningsområde, der kan lette lidelserne for patienter med kræft og andre sygdomme."

Neutroner er følsomme over for brint, ikke-destruktiv, og de gør det muligt at studere proteinerne i realtid, under virkelige forhold. Cryo-EM-metoden udført på Frederick billeder frosset, hydrerede prøver, tillader molekylær opløsning uden behov for farvestoffer eller fikseringsmidler. Forskere vil specifikt målrette neurofibromatosis type 1-proteinet og dets interaktioner med bindingspartnere. Mutationer i NF1 er kendt for at forårsage neurofibromatose og har været impliceret i kræft.

Dataene vil gennemgå en proces med algoritmestyret rekonstruktion for at eliminere "støj" i billederne. Derefter vil den resulterende model blive brugt i maskinlæringsstøttede computersimuleringer for at udforske visse områder af proteinerne for at opnå en bedre forståelse af partikelorientering.

Ved at kombinere cryo-EM, lille vinkelspredning, og beregning vil gøre det muligt at generere atomistiske modeller for at nå sub-nanometer opløsning for disse proteiner.

"I bund og grund, eksperimentalisterne vil håndtere spredningen af ​​små vinkler, det krystallografiske arbejde og kryo-EM. Så vil datalogerne tage alle disse forskellige eksperimentelle data og sætte dem sammen for at give os et billede af, hvordan proteinet ser ud, " sagde O'Neill.

Projektet involverer forskere fra tre direktorater ved ORNL:Neutron Sciences, Computing og Computational Sciences, og Energi- og miljøvidenskab.

"Beregning binder det hele sammen. Det bliver, Jeg tror, meget almindelig i strukturel biologi - denne idé om at integrere forskellige eksperimentelle modaliteter, der er bundet sammen ved beregning, " tilføjede Ramanathan.

Faktisk, forskerne forventer, at beregningsarbejdet vil være blandt de første projekter, der udnytter Summit, planlagt til at komme online i år som verdens smarteste, open source supercomputer til kunstig intelligens-applikationer på DOE's Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) på ORNL.

"Dette arbejde tjener som et vidunderligt eksempel på, hvordan vi kan kombinere flere videnskabelige brugerfaciliteter, I dette tilfælde, OLCF, [DOE] spallationsneutronkilden, og Frederick National Laboratory's National Cryo-Electron Microscopy Facility ved Frederick National Laboratory for at fremme både DOE- og NIH-missioner, " sagde Paul Gilna, direktør for biosikkerhed og biomedicinske initiativer hos ORNL.

Forskningen har ikke kun anvendelser for ORNL's arbejde i det biomedicinske rum, men er også relevant for dets arbejde med bioenergi og kviksølvtoksicitet - områder, der er relevante for DOE's biologiske og miljømæssige forskningsprogram. Forskningen kunne bl. for eksempel, hjælpe videnskabsmænd med at konstruere mikrober, der er bedre til at fordøje og omdanne råvareplanter til biobrændstoffer.