Biofysikere belyser mekanismer for neutrale opløste bærere

Nogle af de mest essentielle processer på planeten involverer vand og energi, der kommer ind i og forlader celler.

De cellulære dørmænd, der er ansvarlige for denne adgang, er kendt som aquaporiner og glukosetransportører, to familier af proteiner, der letter den hurtige og dog selektive flux af vand, glukose og andre små stoffer på tværs af biologiske membraner.

Aquaporiner er til stede i alle livets riger, demonstrerer deres centrale rolle i at opretholde sundheden for alle organismer. Den første aquaporin blev opdaget i 1992, tjener sin opdager, Peter Agre, Nobelprisen i kemi i 2003. Siden dengang har mere end 450 individuelle aquaporiner er blevet identificeret.

Computerbaserede eksperimenter - især simuleringer af molekylær dynamik (MD) - har vist sig at være vigtige for at bestemme, hvordan materialer trænger gennem kanalproteiner på molekylært niveau.

Ifølge Liao Chen, lærebogsbeskrivelser af glukosetransportører har undervurderet kompleksiteten af, hvordan disse proteiner fungerer. Eksperimenter og røntgenkrystallografi kan kun fange så mange detaljer, og computersimuleringer har været begrænset i deres evne til at modellere store systemer, der inkluderer membrankompleksiteterne involveret i gating, og andre faktorer.

Chen har studeret dette problem ved hjælp af supercomputere ved Texas Advanced Computing Center (TACC) i mere end et årti, med stigende nøjagtighed og kompleksitet.

"Som teoretisk fysiker, Jeg tror fuldt og fast på, hvad Richard Feynman sagde:at alt, hvad levende ting gør, kan forstås ud fra atomernes slingren og vrikken, " sagde Chen. "Vi har forsøgt at bygge en bro fra slingren og slingren af ​​millioner af atomer til meget simpel deterministisk adfærd af biologiske systemer."

Siden 2019, han har brugt Fronteras modelleringskraft – en af ​​de mest kraftfulde supercomputere i verden – til at undersøge, hvordan aquaporinerne og glukosetransportørerne i menneskelige røde blodlegemer flytter vand og glukose ind og ud af cellen.

"Vi bygger modeller af membranproteiner fra atomer inklusive deres umiddelbare miljø i membranen, " sagde Chen. "Membranen er sammensat af lipider, og de indre og ydre foldere er asymmetriske. Kvalitativt, vi forstår, hvordan vand og glukose bevæger sig, men ingen har modelleret membranen korrekt for kvantitativ nøjagtighed, der er en norm i andre grene af fysikken. Vi bevæger os i den retning."

Chens forskning har fundet betydelige forskelle mellem de resultater, der er produceret af simple modeller, og de mere realistiske, han bruger.

"Med Frontera, vi har været i stand til at komme tættere på virkeligheden og opnå kvantitativ overensstemmelse mellem eksperimenter og computersimuleringer, " han sagde.

Ud over den grundlæggende biologiske funktion af aquaporiner og glukosetransportører, disse proteiner er impliceret i sygdomme som de Vivos syndrom, en neurologisk lidelse, og flere former for kræft. I april 2020, Chen udgav et papir i Grænser i fysik at anvende forskningen på en sygdomsfremkaldende parasit, der er en nyttig analog til den virus, der forårsager malaria hos mennesker. Forskere undersøger også manipulationen af ​​disse proteiner som en behandling for visse typer kræft - begrænser tilgængeligheden af ​​nødvendige næringsstoffer for at stoppe væksten af ​​tumorer.

Vandbevægelse ind og ud af celler involverer de enkleste membrantransportører. Imidlertid, de glukosetransportører, der leder glukose - som giver den energi, som alle celler har brug for - over cellemembranerne er mere komplicerede.

"Mekanismen for, hvordan glukose transporteres, er kontroversiel, men jeg tror, ​​vi nu er meget tæt på svaret, " sagde Chen.

Det var længe antaget, at glukosetransportører adlyder teorien om alternerende adgang ligesom mange andre proteiner i den store facilitator-superfamilie. Proteiner i denne superfamilie har to grupper af transmembrane helixer, der er teoretiseret til at svinge i forhold til hinanden. På den måde, proteinet kan være åbent på den ekstracellulære side for at tillade et sukker ind i proteinet. Derefter svinger de to grupper, så protein bliver åbent til den intracellulære side, så sukkeret kan forlade proteinet og komme ind i cytoplasmaet. Proteinet bliver ved med at veksle mellem konformationerne åbne udadtil og åbne mod indersiden for at transportere den energi, der er nødvendig i cellulær metabolisme.

Imidlertid, glukosetransportører er forskellige fra de andre medlemmer af denne enorme superfamilie af transporterproteiner. I modsætning til de andre medlemmer, der er aktive transportører med energiforsyninger til rådighed for dem, glukosetransportører er passive facilitatorer; de har ikke en energiforsyning, der gør dem i stand til at fungere. Chen mente, at glukosetransportører muligvis ikke adlyder teorien om alternerende adgang og begyndte at undersøge glukosetransportører 1 og 3 meget nøje.

"Vores undersøgelser viser, at når vi først har sat denne simple transportør i celler, hvis du bruger en asymmetrisk membran, transportøren behøver ikke at gå gennem en vekslende adgangsmekanisme, " sagde Chen. "Det har faktisk en port på den ekstracellulære side, der svinger mellem at være åben og lukket baseret på kropstemperatur. Så det er et eksempel på mangfoldighed i mekanismen for transporterproteiner."

Chen har indtil videre udgivet to artikler om dette specifikke emne. Skriver ind ACS Chem. Neurovidenskab , hans team leverede en kvantitativ undersøgelse af glucosetransporter 3, som er almindelig i centralnervesystemet og dermed kaldes den neuronale glukosetransportør. I et nyere blad i Biokemisk og biofysisk forskningskommunikation , de foreslog den nye mulighed for, hvordan glukosetransportører fungerer.

Chens team laver også laboratorieforsøg for at se den overordnede opførsel af celler, og for at få en grundlæggende sandhed at sammenligne hans modeller med. Men supercomputere er påkrævet for at komme til de specifikke mekanistiske detaljer.

I april 2020, Chen blev tildelt 200, 000 nodetimer på Frontera for at modellere proteinkanalerne mere detaljeret.

"På Frontera, hver kerne er hurtigere, og systemet er massivt, så vi kan modellere større systemer meget hurtigere, " sagde han. "Større systemer er et must. Når du beskæftiger dig med små systemer, du er ikke tæt på virkeligheden."