Forskere bruger supercomputer til at få indsigt i hepatitis B

Forskere ved University of Delaware, ved hjælp af supercomputeressourcer og samarbejde med forskere ved Indiana University, har fået ny forståelse for den virus, der forårsager hepatitis B, og den "piggede kugle", der omslutter virussens genetiske plan.

Forskningen, som er blevet offentliggjort online, forud for tryk, af tidsskriftet American Chemical Association ACS Kemisk Biologi , giver indsigt i, hvordan kapsiden - en proteinskal, der beskytter planen og også driver leveringen af ​​den til at inficere en værtscelle - samler sig selv.

Computersimuleringer udført af UD-forskerne undersøgte virkningerne af en mutation, der hæmmer samlingsprocessen. Sammen med samarbejdspartnere, forskerne afslørede, at den region af proteinet, der indeholder mutationen, spidsen, kan kommunikere med det område af proteinet, der forbinder med andre underenheder for at samle capsidet. De fandt beviser for, at en ændring i formen af ​​kapsidproteinet skifter det til en "tændt" tilstand for samling.

Forskere mener, at kapsiden er et vigtigt mål i udviklingen af ​​lægemidler til behandling af hepatitis B, en livstruende og uhelbredelig infektion, der rammer mere end 250 millioner mennesker verden over.

"Kapsiden ligner en spids kugle, med 120 proteindimerer, der samles for at danne det; hver dimer indeholder en spids, " sagde Jodi A. Hadden-Perilla, adjunkt i UD's Institut for Kemi og Biokemi og medforfatter til det nye papir. "Capsiden er nøglen til virusinfektionscyklussen. Hvis vi kunne forstyrre samlingsprocessen, virussen ville ikke være i stand til at producere smitsomme kopier af sig selv."

Indiana University-forskerne havde studeret dimererne, som er todelt, T-formede molekylære strukturer, og undersøge, om en mutation kunne aktivere eller deaktivere en switch for at tænde for kapsidets samlingsmekanisme. De arbejdede med Hadden-Perillas gruppe, som kørte computersimuleringer for at forklare, hvordan ændringer i proteinstrukturen induceret af mutationen påvirkede kapsidens evne til at samle sig.

"Det, vi lærte, er, at denne mutation forstyrrer strukturen af ​​spidsen i toppen af ​​dimeren, "Sagde Hadden-Perilla." Denne mutation bremser forsamlingen, som faktisk involverer en region af proteinet, der er langt væk fra spidsen. Det er tydeligt, at disse to regioner er forbundet. En ændring i proteinets form, især ved spidsen, kan faktisk aktivere eller deaktivere samling."

Hendes team udførte sit arbejde ved hjælp af den National Science Foundation-støttede Blue Waters supercomputer ved University of Illinois i Urbana-Champaign, den største supercomputer på ethvert universitetscampus i verden, at udføre, hvad der er kendt som all-atom molekylær dynamik simuleringer.

Molekylær dynamik-simuleringer giver forskere mulighed for at studere den måde, molekyler bevæger sig på, for at lære, hvordan de udfører deres funktioner i naturen. Computersimuleringer er den eneste metode, der kan afsløre bevægelsen af ​​molekylære systemer ned til atomniveau og omtales nogle gange som "beregningsmikroskopet."

Papiret, med titlen "Integriteten af ​​den intradimere grænseflade af Hepatitis B Virus capsidproteindimeren regulerer capsid-selvsamling, " kan ses på tidsskriftets hjemmeside.

Fra Colombia til UD

For doktorand Carolina Pérez Segura, en medforfatter af papiret, arbejdet med data fra supercomputersimuleringerne var den slags forskningserfaring, der først bragte hende til University of Delaware og derefter inspirerede hende til at blive.

Hun undersøgte adskillige simuleringer og enorme mængder data for at undersøge effekten af ​​mutationen og "gjorde nogle vigtige opdagelser, " sagde Hadden-Perilla. "Vi kastede hende ud i den dybe ende i min helt nye forskningsgruppe [sidste sommer], og hun gjorde et godt stykke arbejde. "

Pérez Segura kom til UD som deltager i universitetets latinamerikanske sommerforskningsprogram. En kandidat fra Universidad Nacional de Colombia (National University of Colombia), programmet markerede hendes første gang, hun forlod Colombia og, Ja, første gang hun rejste med fly. Hun planlagde at forske under Hadden-Perillas mentorskab i et par måneder og derefter vende hjem.

Men, hun sagde, oplevelsen var så betydningsfuld for hende, at hun annullerede sin flybillet hjem og blev ved med at arbejde som gæsteforsker hos Hadden-Perilla, mens hun søgte ind på UD's ph.d.-uddannelse i kemi. Hun blev optaget og begyndte sine studier i forårssemesteret.

Det var hendes fascination af computerkemi, der bragte hende til Delaware, hun sagde, og arbejdet med supercomputere, der fik hende til at beslutte at fortsætte den forskning.

"Mens jeg var bachelor, Jeg valgte den gren af ​​kemi som den slags karriere, jeg ønskede, " sagde Pérez Segura, som arbejdede med en forskergruppe på området, i mindre skala, i Colombia. "Da jeg blev introduceret til ideen om, at matematik og fysik kan hjælpe dig med at forstå biologiske processer, Jeg vidste, at det var det, jeg ville.

"Jeg syntes, det var virkelig fantastisk at kunne forklare biologiske processer med tal og computere. Jeg ville lære mere, og her, der er så meget flere muligheder for at lære det."

Selvom de sociale restriktioner og rejserestriktioner pålagt af coronavirus (COVID-19) pandemien har begrænset hendes evne til fuldt ud at opleve amerikansk liv og kultur, hun sagde, at hendes oplevelse på UD fortsat er meget positiv. Hun er ivrig efter at kunne gå mere ud, øve sit engelske og føle sig som en del af den amerikanske kultur, men i mellemtiden, hun har travlt med spændende forskning, hun sagde.

Hun arbejder i øjeblikket også på forskning, som Hadden-Perilla udfører i den virus, der forårsager COVID-19.

"Det er usædvanligt for en studerende at blive optaget på vores kandidatuddannelse 'off-cycle', ' begynder i forårssemesteret, " sagde Hadden-Perilla. "Men Carolina er enestående."