Supercomputer fremkomsten af ​​materiel adfærd

Hvad får kevlar til at stoppe en kugle, på atomniveau?

Materialers egenskaber stammer fra deres molekylære eller atomiske struktur, alligevel er mange detaljer mellem mikro og makro et mysterium for videnskaben. Forskere forsker aktivt i det rationelle design af målrettede supramolekylære arkitekturer, med det formål at konstruere deres strukturelle dynamik og deres reaktion på miljømæssige signaler.

Et team af kemikere ved University of California, San Diego (UCSD) har nu designet en todimensionel proteinkrystal, der skifter mellem tilstande med varierende porøsitet og densitet. Dette er det første inden for biomolekylært design, der kombinerede eksperimentelle undersøgelser med beregning udført på supercomputere. Forskningen, udgivet i april 2018 i Naturkemi , kunne være med til at skabe nye materialer til vedvarende energi, medicin, vandrensning, og mere.

"Vi lavede et omfattende sæt af molekylære dynamiksimuleringer og eksperimenter, som forklarede grundlaget for den usædvanlige strukturelle dynamik af disse kunstige proteiner, baseret på hvilket vi var i stand til at træffe rationelle beslutninger og ændre forsamlingens strukturelle dynamik, "sagde studieforfatter Akif Tezcan, professor i kemi og biokemi ved UCSD.

Tezcans team arbejdede med proteinet L-rhamnulose-1-phosphat aldolase (RhuA), som blev modificeret med cysteinaminosyrer i sine fire hjørner i position 98 (C98RhuA). Han og hans gruppe havde tidligere udgivet arbejde om selvsamling af denne kunstige, todimensionel proteinarkitektur, som han sagde viste en interessant adfærd kaldet auxeticity.

"Disse krystallinske forsamlinger kan faktisk åbne og lukke i sammenhæng, "Sagde Tezcan." Som de gør, de krymper eller udvides lige i X- og Y -retninger, hvilket er det modsatte af hvad normale materialer gør. Vi ville undersøge, hvad disse bevægelser skyldes, og hvad der styrer dem. "Et eksempel på auxetik kan ses i Hoberman -sfæren, en legetøjskugle, der ekspanderer gennem sine sakselignende hængsler, når du trækker enderne fra hinanden.

”Vores mål var at kunne gøre det samme, brug af proteiner som byggesten, at skabe nye typer materialer med avancerede egenskaber, "Tezcan sagde." Det eksempel, vi studerer her, var hovedsageligt frugten af ​​disse bestræbelser, hvor vi brugte dette særlige protein, der har en firkantet form, som vi knyttet til hinanden gennem kemiske forbindelser, der var reversible og virkede som hængsler. Dette tillod disse materialer at danne meget velordnede krystaller, der også var dynamiske på grund af fleksibiliteten af ​​disse kemiske bindinger, som endte med at give os disse nye, nye ejendomme. "

Kontrol af åbning og lukning af porerne i C98RhuA protein 2-D gitterne kunne fange eller frigive specifikke molekylære mål, der er nyttige til lægemiddellevering eller oprettelse af bedre batterier med mere forskning, Sagde Tezcan. Eller de kunne selektivt passere igennem eller blokere passage af biologiske molekyler og filtrere vand.

"Vores idé var at kunne bygge komplekse materialer, som evolutionen har gjort, brug af proteiner som byggesten, "Sagde Tezcan.

Den måde Tezcans team gjorde det på var først at udtrykke proteinerne i E. coli bakterieceller og rense dem, hvorefter de inducerede dannelsen af ​​de kemiske bindinger, der rent faktisk skaber krystallerne i C98RhuA, som varierer som en funktion af deres oxidationstilstand, ved tilsætning af redox-aktive kemikalier.

"Når krystallerne er dannet, den store karakterisering bliver åbenheden eller nærheden af ​​selve krystallerne, "forklarede Tezcan, som blev bestemt ved statistisk analyse af hundredvis af billeder taget ved hjælp af elektronmikroskopi.

Eksperimenterne arbejdede hånd i hånd med beregning, primært all-atom-simuleringer ved hjælp af NAMD-softwaren udviklet ved University of Illinois i Urbana Champaign af gruppen af ​​den afdøde biofysiker Klaus Schulten.

Tezcans team brugte et reduceret system på kun fire proteiner, der er forbundet med hinanden, som kan fliser uendeligt for at komme til bunds i, hvordan krystallen åbner og lukker. "Det reducerede system gav os mulighed for at gøre disse beregninger mulige for os, fordi der stadig er hundredtusinder af atomer, selv i dette reducerede system, "Sagde Tezcan. Hans team udnyttede funktioner, der er specifikke for C98RhuA, såsom at bruge en enkelt reaktionskoordinat svarende til dens åbenhed. "Vi var virkelig i stand til at validere denne model som repræsentativ for det, vi observerede i eksperimentet, "Sagde Tezcan.

All-atom molekylære simuleringer af C98RhuA krystalgitter blev brugt til at kortlægge det frie energilandskab. Dette energilandskab ligner et naturligt landskab, med dale, bjerge, og bjergpas, forklarede studieforfatter Francesco Paesani, professor i kemi og biokemi ved UCSD.

"Dalene bliver de mest stabile konfigurationer af dine proteinsamlinger, "Sagde Paesani, som det molekylære system foretrækker frem for at skulle bruge energi på at gå over et bjerg. Og bjergpassene viser vejen fra en stabil struktur til en anden.

"Typisk, gratis energiberegninger er meget dyre og udfordrende, fordi det du prøver at gøre er at prøve alle mulige konfigurationer af et molekylært system, der indeholder tusindvis af atomer. Og du vil vide, hvor mange positioner disse atomer kan erhverve under en simulering. Det tager meget tid og mange computerressourcer, "Sagde Paesani.

For at imødekomme disse og andre beregningsmæssige udfordringer, Paesani har fået tildelt supercomputertildelinger gennem XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, finansieret af National Science Foundation.

"Heldigvis, XSEDE har givet os en tildeling på Maverick, GPU -computerklyngerne i Texas Advanced Computing Center (TACC), "Sagde Paesani. Maverick er en dedikeret ressource til visualisering og dataanalyse, der er arkitekteret med 132 NVIDIA Tesla K40" Atlas "grafikbehandlingsenheder (GPU) til fjernvisualisering og GPU -computing til det nationale samfund.

"Det var meget nyttigt for os, fordi den NAMD -software, vi bruger, kører meget godt på GPU'er. Det giver os mulighed for at fremskynde beregningerne ved størrelsesordener, "Sagde Paesani." I dag, vi har råd til beregninger, som vi for ti år siden ikke engang kunne drømme om på grund af denne udvikling, både på NAMD -softwaren og på hardwaren. Alle disse computerklynger, som XSEDE leverer, er faktisk ganske nyttige til alle molekylære dynamiske simuleringer. "

Gennem XSEDE, Paesani brugte flere supercomputersystemer, herunder Gordon, Komet, og bukke ved San Diego Supercomputer Center; Kraken på National Institute for Computational Sciences; og Ranger, Stampede, og Stampede2 på TACC.

"Fordi alle simuleringerne blev kørt på GPU'er, Maverick var det perfekte valg til denne type applikationer, "Sagde Paesani.

Beregning og eksperiment arbejdede sammen for at producere resultater. "Jeg synes, at dette er et smukt eksempel på synergien mellem teori og eksperiment, "Sagde Paesani." Eksperimentet stillede det første spørgsmål. Teori og computersimulering behandlede dette spørgsmål, giver en vis forståelse af mekanismen. Og så brugte vi computersimulering til at lave forudsigelser og bede eksperimenterne om at teste gyldigheden af ​​disse hypoteser. Alt fungerede meget pænt, fordi simuleringerne forklarede eksperimenterne i begyndelsen. De forudsigelser, der blev fremsat, blev bekræftet af eksperimenterne i slutningen. Det er et eksempel på den perfekte synergi mellem eksperimenter og teoretisk modellering. "

Tezcan tilføjede, at "kemikere traditionelt kan lide at bygge komplekse molekyler fra enklere byggesten, og man kan forestille sig at lave en sådan kombination af design, eksperiment og beregning for mindre molekyler til at forudsige deres adfærd. Men det faktum, at vi kan gøre det på molekyler, der er sammensat af hundredtusinder af atomer, er ganske hidtil uset. "

Videnskabsteamet brugte også molekylære dynamiksimuleringer til nøje at undersøge vandets rolle i at styre gitterbevægelsen af ​​C98RhuA. "Denne undersøgelse viste os, hvor vigtig vandets aktive rolle er i styringen af ​​komplekse makromolekylers strukturelle dynamik, som i biokemi kan blive overset, "Tezcan sagde." Men denne undersøgelse viste, meget klart, at dynamikken i disse proteiner drives aktivt af vanddynamik, som jeg tror bringer vigtigheden af ​​vand i forgrunden. "

Rob Alberstein, kandidatstuderende i Tezcan -gruppen og første forfatter af Nature Chemistry -artiklen, tilføjet "Kernen i denne forskning er at forstå, hvordan materialernes egenskaber stammer fra den underliggende molekylære eller atomiske struktur. Det er meget svært at beskrive. I dette tilfælde forsøgte vi virkelig at tegne den forbindelse så klart, som vi selv kunne forstå den og virkelig vis ikke kun fra eksperimentet, hvor vi kan se på disse materialers makroskalaadfærd, men derefter med beregningen relatere denne adfærd tilbage til det, der rent faktisk foregår i omfanget af molekyler. Når vi fortsætter med at udvikle os som et samfund, vi er nødt til at udvikle nye materialer til nye former for globale spørgsmål (vandrensning, etc), så forståelse af dette forhold mellem atomstruktur og selve den materielle egenskab og evnen til at forudsige dem bliver stadig vigtigere. "