超级计算机算出病毒攻击细胞膜

基础研究支持的超级计算机可以导致新的策略和更好的抗感染和遗传疾病的技术。

可怕的严重急性呼吸系统综合症冠状病毒等病毒2依赖于宿主细胞膜大幅度弯曲并最终释放被困在细胞复制病毒。科学家们利用超级计算机模拟来帮助提出这一病毒出芽机制。更重要的是,使用模拟相关研究还发现一种机制对所有生命的DNA添加一个基地在复制其日益增长的链. .

对细胞膜的研究改造,重要的病毒复制、细胞生长和沟通,和其他生物过程在生物物理杂志在线发表在2020年2月。这项研究的合著者羌族崔也研究DNA的一部分基础,发表在《美国国家科学院学报》,2019年12月。羌族崔是一个部门的教授化学,物理,生物医学工程,波士顿大学。

崔也是首席研究员在研究超级计算机时间通过XSEDE授予,极端环境科学与工程发现由美国国家科学基金会资助。“超级计算机和大规模并行处理非常需要推动双分子的模拟的边界,”崔说。

他的科学团队开发超级计算机模拟细胞膜,特别是Vps32蛋白细丝,endosomal排序所需的主要组件运输复杂(ESCRT-III)的首要嫌疑人的驱动力导致细胞膜形成芽的过程称为膜内陷。ESCRT蛋白质功能细胞溶质,液体周围细胞内细胞器、细胞单元。他们执行各种工作,如制作细胞器;分类可回收的物质在细胞和排出废物,以及更多。

电子显微镜显示了Vps32蛋白质聚合,或组装成一个螺旋形状膜内陷。这项研究的作者试图确定Vps32内原子的力量使它弯曲和扭曲,最终牵引和崭露头角的膜。不幸的是,实验研究目前缺乏决议的蛋白质膜的相互作用,导致膜变形。

科学团队采用原子的分子动力学模拟研究蛋白质接口在一维丝结构在溶液中也发现残留着丝在一起。他们还研究了蛋白质膜界面使用Vps32三聚物模型。

“我认为最有趣的观察是,ESCRTIII聚合物研究清楚的功能内在的扭曲,“崔说。”这表明扭应力积累随着聚合物表面上可能扮演了重要的角色在创建三维薄膜的屈曲。人们更关注灯丝的弯曲过去。”

“我们也明确表明,氨基螺旋并产生明确的曲率,”崔补充道。“人们推测这个之前,因为两性分子的螺旋是已知的在其他系统。”

两性分子的分子含有亲水(亲水)和疏水性(疏水性)部分。“然而,明确显示曲率产生的原子论的力量是很重要的,因为更多的最近的研究似乎认为Vps32独自无法生成膜曲率,”崔说。建议的机制支持模拟基本上涉及最初起涟漪,然后推出的膜随着螺旋Vps32蛋白质纤维的增长,最终导致膜内陷的脖子。

模拟系统包含二百万个原子为崔和他的同事们提出了一个很大的障碍。他们通过XSEDE申请和获得超级计算时间,和完成了模拟Stampede2系统UT奥斯汀的得克萨斯高级计算中心。

“Stampede2至关重要的对我们建立这些相对大规模的膜模拟,”崔说。

虽然这项研究是纯粹的研究,获得的知识可以造福社会。“膜重塑是一个重要的过程,是许多重要的细胞功能和事件,如突触传递和病毒感染。理解膜重塑的机制将有助于提出新的策略来对抗人类疾病由于受损的膜融合活动或预防病毒感染,及时主题如今考虑到新冠状病毒的快速传播,”崔玲说。

崔天凯还合著的计算研究,利用计算机模拟来确定一个核苷酸的化学反应机制,用于细胞添加核苷酸碱基的DNA链增长。

“通过计算,我们也能够确定一个催化的作用的镁金属离子在酶的活性位点的DNA聚合酶,”说、报告作者之一丹尼尔。Roston助理项目科学家在加州大学圣地亚哥分校的化学和生物化学。“这种金属已经有点争议的文献中。没有人真的相信这是做什么。我们认为这是起着重要的催化作用。”

DNA聚合酶添加核苷酸鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶,胞嘧啶(G-A-T-C) DNA通过移除一个质子从增长链通过与水分子反应。“当我们说,在这项研究中,一个水分子作为基础,作为基地移除一个质子,一个酸碱化学。移开后剩下的有质子更活跃将会用一个新的核苷酸发生化学反应,需要添加到DNA,”Roston说。

化学需要多个质子转移在一个复杂的活性部位。使用x射线晶体学实验探测无法区分许多可能的反应途径。

“模拟提供了一个补充晶体学,因为你可以在所有的模型中氢和分子动力学模拟运行,你让所有的原子移动的模拟和看到他们想要去的地方,和相互作用是帮助他们得到他们需要去的地方,“Roston说。“我们的角色是做这些分子动力学模拟和测试不同的模型中原子是如何移动的反应和测试不同的互动帮助。”

能量计算的数量需要完成分子动力学模拟是巨大的,10的10 e8 e9系统与成千上万的原子,许多复杂的相互作用。这是因为步伐在正确的决议的飞秒,10 e15汽油秒。

“不会发生化学反应,生活,很快,“Roston说。“这发生在一个时间表的人交谈。弥合这一差距在时间尺度的许多数量级模拟需要许多步骤。它很快成为计算棘手。”

XSEDE”一个伟大的事情是,我们可以利用大量的计算能力,“Roston补充道。通过XSEDE Roston和他的同事使用约500000 CPU小时彗星系统在圣地亚哥超级计算机中心。彗星允许他们同时运行许多不同的模拟另一个中,所有饲料。

Roston说:“DNA复制就是生活的意义。我们的核心是如何发生的,真正的基本过程,我们知道这地球上的生命。这是如此重要,我们应该在深层次理解它是如何工作的。但是,也有技术的重要方面,如CRISPR利用这种工作开发系统操纵DNA。了解生活的细节已经进化到操纵DNA将扮演一个角色在喂养我们的理解和驾驭能力技术在未来。”

的机械性能和膜的分子模拟活动ESCRT-III复合物的在线发表在《生物物理杂志》2020年2月。研究合著者Taraknath Mandal羌族崔波士顿大学的;威尔逊湖,里奥·e·Spagnolie Anjon Audhya威斯康星大学麦迪逊分校的。研究来自美国国家科学基金会的资助。计算部分也支持共享计算集群,这是由波士顿大学的研究计算服务。

参考:Mandal, T。湖,W。Spagnolie, s E。Audhya,。、&崔问:(2020)。分子模拟ESCRT-III复合物的力学性能和膜活动。生物物理期刊,0 (0)。https://doi.org/10.1016/j.bpj.2020.01.033

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