Как видно из названия, IDP не принимает упорядоченную статическую структуру, как другие белки; вместо этого он гибкий и может принимать несколько 3D-структур. Отсутствие уникальной структуры необходимо для биологической функции ВПЛ, но делает технически сложным изучение.
IDP могут быть целым белком или доменом другого структурированного белка, и они составляют большую часть белков человека, микробов и растений.
Лукас Петридис, штатный научный сотрудник Центра молекулярной биофизики в ORNL, направил команду исследователей к новому способу создания точных физических моделей таких гибких биосистем, которые могут привести к лучшему пониманию их биологических функций. За последние три года команда объединила эксперименты по рассеянию нейтронов с моделированием расширенной молекулярной динамики (МД), настолько требовательным к вычислительным ресурсам, что требовалась вычислительная мощность Titan, недавно выведенного из эксплуатации 27-петафлопсного Cray XK7 в Leadership Computing Facility в Ок-Ридж. Пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США в ORNL.
«Изучать этих ВПЛ довольно сложно как с точки зрения экспериментов, так и с точки зрения моделирования», – сказал Утсаб Шреста, ведущий автор статьи группы, недавно опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences. «Мы думали об этом не только на основе экспериментов или моделирования, мы планировали таким образом, чтобы мы могли объединить оба этих подхода – объединить их таким образом, чтобы мы могли получить более точную информацию о ВПЛ. В частности, моделирование помогло нам создать точный ансамбль IDP с атомарным разрешением, который трудно определить только с помощью экспериментов."
Обычно исследователи проводят такие эксперименты, как малоугловое рассеяние нейтронов, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей или ядерный магнитный резонанс, чтобы исследовать гибкие биологические системы.
Однако эти методы не дают детальной картины трехмерных структур IDP на атомарном уровне, известной как его конфигурационный ансамбль. Более того, они могут производить только усредненные по ансамблю данные, а не конкретные конфигурации базовой структуры белка.
Ученые также выполнили компьютерное моделирование IDP и сравнили их с такими экспериментами, надеясь получить те же результаты, чтобы проверить точность своих моделей.
"Но в конечном итоге они не соглашаются с экспериментами", – сказал Петридис. "И из-за несоответствия между симуляциями и экспериментами им приходится переоценивать моделирование – они должны корректировать результаты моделирования, чтобы они соответствовали экспериментам, что расстраивает. Так было до тех пор, пока мы не начали."
Компьютерное моделирование MD, проведенное Shrestha, использовало усовершенствованные методы отбора проб, которые позволили сопоставить не только эксперименты по рассеянию нейтронов, проведенные Вишванатаном Гурумурти и его коллегами из SNS, научного центра Министерства энергетики США в ORNL, но и ранее опубликованные данные ЯМР. Эти МД-симуляции используют физику для определения того, как движутся белки. Ключ к успеху команды заключался в том, что на Титане параллельно выполнялось множество МД-симуляций, что позволяло симуляторам общаться друг с другом и обмениваться информацией.
«Это очень важно, потому что это позволяет моделировать выборку большего конфигурационного пространства, исследовать больше трехмерных структур более эффективным способом», – сказал Петридис. "Вот почему этот МД с расширенной выборкой может давать результаты, которые невозможно при обычном МД-моделировании.
Нам пришлось бы годами запускать обычное моделирование МД, чтобы получить те же результаты."
IDP, который команда выбрала для изучения, представляет собой N-концевой домен киназы c-Src, который является основным сигнальным белком у людей. Мутации в этом сложном белке коррелируют с раком, что также делает его важной мишенью для лекарств.
При картировании этой ранее неясной области ученые смогли обнаружить новую информацию о ее трехмерных структурах, которую не показали предыдущие методы. Например, хотя он в значительной степени неупорядочен, этот белок образует временные упорядоченные структуры, такие как спирали.
"Комбинация экспериментов по рассеянию нейтронов и моделирования очень эффективна", – сказал Петридис. "Проверка моделирования сравнением с экспериментами по рассеянию нейтронов необходима для уверенности в результатах моделирования. Проверенные модели могут затем предоставить подробную информацию, которая не может быть получена непосредственно в результате экспериментов."
Подробная компьютерная модель ансамбля трехмерных структур IDP открывает двери для новых экспериментов. Например, ученые могут смоделировать эффект фосфорилирования (добавление фосфатной группы к белку, которая может регулировать функцию белка), чтобы увидеть, какие структурные изменения происходят в c-Src киназе, которые могут повлиять на ее функцию. Роль мутаций также может быть изучена: если исследователь изменяет аминокислоту в цепи, как это влияет на структуру или ансамбль структур??
«В частности, по c-Src-киназе есть много вопросов без ответа, на которые можно было бы ответить с точки зрения взаимодействия с другими партнерами – эффект фосфорилирования, эффект мутаций», – сказал Петридис.
Помимо потенциального научного использования самой модели, Петридис видит возможности применения высокопроизводительных вычислений для запуска MD с расширенной выборкой для изучения структур многих других важных IDP, которые могут дать представление об их функциях. И в более широком смысле, команда хочет разработать технологии моделирования, которые могут воспроизводить профили малоуглового рассеяния нейтронов еще более сложных биологических систем.
«Мы не хотим исследовать только неупорядоченные белки – мы хотим иметь гораздо более крупные системы, содержащие упорядоченные и неупорядоченные домены, которые могут взаимодействовать с мембранами или ДНК», – сказал Петридис. "Рассеяние нейтронов, на мой взгляд, лучший экспериментальный метод для исследования этих многокомпонентных систем – например, белка, который взаимодействует с мембраной, или белка, который взаимодействует с ДНК. Но, тем не менее, рассеяние нейтронов требует точного моделирования, чтобы лучше интерпретировать данные."