Η τρέχουσα πανδημία COVID-19 έχει δημιουργήσει πολλά προβλήματα στα οποία οι χάκερ ήταν πρόθυμοι να επιτεθούν. Από τις 3D εκτυπωμένες ασπίδες προσώπου και τις σπιτικές ιατρικές μάσκες μέχρι την αντικατάσταση ενός πλήρους μηχανικού αναπνευστήρα, η ροή των ιδεών ήταν εμπνευσμένη και συγκινητική. Ταυτόχρονα, έγιναν προσπάθειες για πρόοδο σε έναν άλλο τομέα: στην έρευνα που στοχεύει στην καταπολέμηση του ίδιου του ιού.
Προφανώς, το μεγαλύτερο δυναμικό για να σταματήσει η τρέχουσα πανδημία και να ξεπεράσει όλες τις επόμενες βρίσκεται σε μια προσέγγιση που προσπαθεί να φτάσει στην ίδια τη ρίζα του προβλήματος. Αυτή η προσέγγιση «γνώρισε τον εχθρό σου» υιοθετείται από το υπολογιστικό έργο Folding@Home. Εκατομμύρια άνθρωποι έχουν εγγραφεί στο έργο και δωρίζουν μέρος της επεξεργαστικής ισχύος των επεξεργαστών και των GPU τους, δημιουργώντας έτσι τον μεγαλύτερο [κατανεμημένο] υπερυπολογιστή στην ιστορία.
Αλλά σε τι ακριβώς χρησιμοποιούνται όλα αυτά τα exaflops; Γιατί είναι απαραίτητο να ρίξουμε τέτοια υπολογιστική ισχύ ? Τι είδους βιοχημεία λειτουργεί εδώ, γιατί οι πρωτεΐνες πρέπει να διπλώνουν καθόλου; Ακολουθεί μια γρήγορη επισκόπηση της αναδίπλωσης πρωτεΐνης: τι είναι, πώς συμβαίνει και γιατί είναι σημαντικό.
Πρώτον, το πιο σημαντικό πράγμα: γιατί χρειάζονται οι πρωτεΐνες;
Οι πρωτεΐνες είναι ζωτικές δομές. Δεν παρέχουν μόνο δομικό υλικό για τα κύτταρα, αλλά χρησιμεύουν και ως ενζυμικοί καταλύτες για όλες σχεδόν τις βιοχημικές αντιδράσεις. Σκίουροι, είτε αυτοί ή , είναι μακριές αλυσίδες , που βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη σειρά. Οι λειτουργίες των πρωτεϊνών καθορίζονται από τα αμινοξέα που βρίσκονται σε ορισμένα σημεία της πρωτεΐνης. Εάν, για παράδειγμα, μια πρωτεΐνη χρειάζεται να συνδεθεί με ένα θετικά φορτισμένο μόριο, η θέση δέσμευσης πρέπει να γεμίσει με αρνητικά φορτισμένα αμινοξέα.
Για να κατανοήσουμε πώς οι πρωτεΐνες αποκτούν τη δομή που καθορίζει τη λειτουργία τους, πρέπει να εξετάσουμε τα βασικά της μοριακής βιολογίας και τη ροή των πληροφοριών στο κύτταρο.
Παραγωγή, ή πρωτεΐνες ξεκινά με τη διαδικασία . Κατά τη μεταγραφή, η διπλή έλικα του DNA, η οποία περιέχει τις γενετικές πληροφορίες του κυττάρου, ξετυλίγεται μερικώς, επιτρέποντας στις αζωτούχες βάσεις του DNA να γίνουν διαθέσιμες σε ένα ένζυμο που ονομάζεται . Η δουλειά της RNA πολυμεράσης είναι να κάνει ένα αντίγραφο RNA, ή μεταγραφή, ενός γονιδίου. Αυτό το αντίγραφο ενός γονιδίου που ονομάζεται (mRNA), είναι ένα μόνο μόριο ιδανικό για τον έλεγχο των εργοστασίων ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών, που ασχολούνται με την παραγωγή, ή πρωτεΐνες.
Τα ριβοσώματα λειτουργούν σαν μηχανές συναρμολόγησης - παίρνουν το πρότυπο mRNA και το ταιριάζουν με άλλα μικρά κομμάτια RNA, (tRNA). Κάθε tRNA έχει δύο ενεργές περιοχές - ένα τμήμα τριών βάσεων που ονομάζεται , το οποίο πρέπει να ταιριάζει με τα αντίστοιχα κωδικόνια του mRNA και μια θέση σύνδεσης ενός αμινοξέος που είναι ειδικό για αυτό . Κατά τη μετάφραση, τα μόρια tRNA στο ριβόσωμα προσπαθούν τυχαία να συνδεθούν με το mRNA χρησιμοποιώντας αντικωδικόνια. Εάν είναι επιτυχές, το μόριο tRNA συνδέει το αμινοξύ του στο προηγούμενο, σχηματίζοντας τον επόμενο κρίκο στην αλυσίδα των αμινοξέων που κωδικοποιείται από το mRNA.
Αυτή η αλληλουχία αμινοξέων είναι το πρώτο επίπεδο της δομικής ιεραρχίας των πρωτεϊνών, γι' αυτό και ονομάζεται . Ολόκληρη η τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης και οι λειτουργίες της προέρχονται άμεσα από την πρωτογενή δομή και εξαρτώνται από τις διάφορες ιδιότητες καθενός από τα αμινοξέα και τις αλληλεπιδράσεις τους μεταξύ τους. Χωρίς αυτές τις χημικές ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις αμινοξέων, θα παρέμεναν γραμμικές ακολουθίες χωρίς τρισδιάστατη δομή. Αυτό φαίνεται κάθε φορά που μαγειρεύετε φαγητό - σε αυτή τη διαδικασία υπάρχει θερμική τρισδιάστατη δομή πρωτεϊνών.
Δεσμοί μακράς εμβέλειας πρωτεϊνικών μερών
Στο επόμενο επίπεδο τρισδιάστατης δομής, που ξεπερνά το πρωτεύον, δόθηκε ένα έξυπνο όνομα . Περιλαμβάνει δεσμούς υδρογόνου μεταξύ αμινοξέων σχετικά στενής δράσης. Η κύρια ουσία αυτών των σταθεροποιητικών αλληλεπιδράσεων έγκειται σε δύο πράγματα: и . Η άλφα έλικα σχηματίζει την σφιχτά περιελιγμένη περιοχή του πολυπεπτιδίου, ενώ το φύλλο βήτα σχηματίζει την λεία, ευρεία περιοχή. Και οι δύο σχηματισμοί έχουν τόσο δομικές όσο και λειτουργικές ιδιότητες, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των αμινοξέων που τους αποτελούν. Για παράδειγμα, εάν η άλφα έλικα αποτελείται κυρίως από υδρόφιλα αμινοξέα, όπως ή , τότε πιθανότατα θα συμμετέχει σε υδατικές αντιδράσεις.
Άλφα έλικες και φύλλα βήτα σε πρωτεΐνες. Κατά την έκφραση της πρωτεΐνης σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου.
Αυτές οι δύο δομές και οι συνδυασμοί τους σχηματίζουν το επόμενο επίπεδο δομής πρωτεΐνης - . Σε αντίθεση με τα απλά θραύσματα δευτερογενούς δομής, η τριτοταγής δομή επηρεάζεται κυρίως από την υδροφοβία. Τα κέντρα των περισσότερων πρωτεϊνών περιέχουν εξαιρετικά υδρόφοβα αμινοξέα, όπως π.χ ή , και το νερό αποκλείεται από εκεί λόγω της «λιπαρής» φύσης των ριζών. Αυτές οι δομές εμφανίζονται συχνά σε διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που είναι ενσωματωμένες στη λιπιδική διπλοστοιβάδα μεμβράνης που περιβάλλει τα κύτταρα. Οι υδρόφοβες περιοχές των πρωτεϊνών παραμένουν θερμοδυναμικά σταθερές μέσα στο λιπαρό τμήμα της μεμβράνης, ενώ οι υδρόφιλες περιοχές της πρωτεΐνης εκτίθενται στο υδατικό περιβάλλον και στις δύο πλευρές.
Επίσης, η σταθερότητα των τριτογενών δομών εξασφαλίζεται από δεσμούς μεγάλης εμβέλειας μεταξύ αμινοξέων. Ένα κλασικό παράδειγμα τέτοιων συνδέσεων είναι , που εμφανίζεται συχνά μεταξύ δύο ριζών κυστεΐνης. Αν μύρισες κάτι σαν σάπια αυγά σε ένα κομμωτήριο κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας περμανάντ στα μαλλιά ενός πελάτη, τότε αυτή ήταν μια μερική μετουσίωση της τριτογενούς δομής της κερατίνης που περιέχεται στα μαλλιά, η οποία συμβαίνει μέσω της μείωσης των δισουλφιδικών δεσμών με το βοήθεια που περιέχει θείο μείγματα.
Η τριτογενής δομή σταθεροποιείται από αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας όπως η υδροφοβία ή οι δισουλφιδικοί δεσμοί
Μπορούν να προκύψουν δισουλφιδικοί δεσμοί μεταξύ ρίζες στην ίδια πολυπεπτιδική αλυσίδα ή μεταξύ κυστεϊνών από διαφορετικές πλήρεις αλυσίδες. Σχηματίζονται αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών αλυσίδων επίπεδο δομής πρωτεΐνης. Ένα εξαιρετικό παράδειγμα τεταρτοταγούς δομής είναι είναι στο αίμα σου. Κάθε μόριο αιμοσφαιρίνης αποτελείται από τέσσερις πανομοιότυπες σφαιρίνες, πρωτεϊνικά μέρη, καθένα από τα οποία συγκρατείται σε μια συγκεκριμένη θέση μέσα στο πολυπεπτίδιο με δισουλφιδικές γέφυρες και σχετίζεται επίσης με ένα μόριο αίμης που περιέχει σίδηρο. Και οι τέσσερις σφαιρίνες συνδέονται με διαμοριακές δισουλφιδικές γέφυρες και ολόκληρο το μόριο συνδέεται με πολλά μόρια αέρα ταυτόχρονα, έως τέσσερα, και είναι σε θέση να τα απελευθερώσει ανάλογα με τις ανάγκες.
Μοντελοποίηση δομών σε αναζήτηση θεραπείας για ασθένεια
Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες αρχίζουν να διπλώνουν στο τελικό τους σχήμα κατά τη μετάφραση, καθώς η αναπτυσσόμενη αλυσίδα εξέρχεται από το ριβόσωμα, όπως ένα κομμάτι σύρματος κράματος μνήμης μπορεί να πάρει πολύπλοκα σχήματα όταν θερμαίνεται. Ωστόσο, όπως πάντα στη βιολογία, τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά.
Σε πολλά κύτταρα, τα μεταγραφέντα γονίδια υφίστανται εκτενή επεξεργασία πριν από τη μετάφραση, αλλάζοντας σημαντικά τη βασική δομή της πρωτεΐνης σε σύγκριση με την καθαρή αλληλουχία βάσεων του γονιδίου. Σε αυτή την περίπτωση, οι μεταφραστικοί μηχανισμοί συχνά επιστρατεύουν τη βοήθεια μοριακών συνοδών, πρωτεϊνών που δεσμεύονται προσωρινά στην εκκολαπτόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα και την εμποδίζουν να πάρει οποιαδήποτε ενδιάμεση μορφή, από την οποία στη συνέχεια δεν θα μπορούν να προχωρήσουν στην τελική.
Αυτό σημαίνει ότι η πρόβλεψη του τελικού σχήματος μιας πρωτεΐνης δεν είναι μια ασήμαντη εργασία. Για δεκαετίες, ο μόνος τρόπος μελέτης της δομής των πρωτεϊνών ήταν μέσω φυσικών μεθόδων όπως η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Μόλις στα τέλη της δεκαετίας του 1960 οι βιοφυσικοί χημικοί άρχισαν να κατασκευάζουν υπολογιστικά μοντέλα αναδίπλωσης πρωτεϊνών, επικεντρώνοντας κυρίως στη μοντελοποίηση δευτερογενών δομών. Αυτές οι μέθοδοι και οι απόγονοί τους απαιτούν τεράστιες ποσότητες δεδομένων εισόδου εκτός από την πρωτογενή δομή - για παράδειγμα, πίνακες γωνιών δεσμών αμινοξέων, λίστες υδροφοβικότητας, φορτισμένες καταστάσεις, ακόμη και διατήρηση της δομής και της λειτουργίας σε εξελικτικά χρονικά διαστήματα - όλα για να μαντέψτε τι θα συμβεί μοιάζει με την τελική πρωτεΐνη.
Οι σημερινές υπολογιστικές μέθοδοι για την πρόβλεψη δευτερογενών δομών, όπως αυτές που εκτελούνται στο δίκτυο Folding@Home, λειτουργούν με περίπου 80% ακρίβεια—πράγμα που είναι αρκετά καλό λαμβάνοντας υπόψη την πολυπλοκότητα του προβλήματος. Τα δεδομένα που δημιουργούνται από προγνωστικά μοντέλα για πρωτεΐνες όπως η πρωτεΐνη ακίδας SARS-CoV-2 θα συγκριθούν με δεδομένα από φυσικές μελέτες του ιού. Ως αποτέλεσμα, θα είναι δυνατό να ληφθεί η ακριβής δομή της πρωτεΐνης και, ίσως, να κατανοηθεί πώς προσκολλάται ο ιός στους υποδοχείς ένα άτομο που βρίσκεται στην αναπνευστική οδό που οδηγεί στο σώμα. Εάν καταφέρουμε να καταλάβουμε αυτή τη δομή, ίσως μπορέσουμε να βρούμε φάρμακα που εμποδίζουν τη σύνδεση και αποτρέπουν τη μόλυνση.
Η έρευνα για την αναδίπλωση πρωτεϊνών βρίσκεται στο επίκεντρο της κατανόησής μας για τόσες πολλές ασθένειες και λοιμώξεις που ακόμη και όταν χρησιμοποιούμε το δίκτυο Folding@Home για να καταλάβουμε πώς να νικήσουμε τον COVID-19, τον οποίο έχουμε δει να εκρήγνυται σε ανάπτυξη τον τελευταίο καιρό, το δίκτυο θα κερδίσει». να μην μείνεις για πολύ ώρα σε αδράνεια. Είναι ένα ερευνητικό εργαλείο που είναι κατάλληλο για τη μελέτη των πρωτεϊνικών μοτίβων που αποτελούν τη βάση δεκάδων ασθενειών λανθασμένης αναδίπλωσης πρωτεϊνών, όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ ή η παραλλαγή της νόσου Creutzfeldt-Jakob, που συχνά λανθασμένα ονομάζεται νόσος των τρελών αγελάδων. Και όταν αναπόφευκτα εμφανιστεί ένας άλλος ιός, θα είμαστε έτοιμοι να αρχίσουμε να τον πολεμάμε ξανά.
Πηγή: www.habr.com