Déi aktuell COVID-19 Pandemie huet vill Probleemer erstallt déi Hacker frou waren ze attackéieren. Vun 3D gedréckte Gesiichtsschirmer an hausgemaachte medizinesche Masken bis e komplette mechanesche Ventilator z'ersetzen, war de Flux vun Iddien inspiréierend an häerzzerräissend. Zur selwechter Zäit gouf et Versuche fir an engem anere Beräich weiderzekommen: an der Fuerschung, déi de Virus selwer bekämpft.
Anscheinend läit de gréisste Potenzial fir déi aktuell Pandemie ze stoppen an all déi spéider ze iwwerwannen an enger Approche déi probéiert op d'Wurzel vum Problem ze kommen. Dës Approche "kennt Äre Feind" gëtt vum Folding@Home Rechenprojet geholl. Millioune vu Leit hunn de Projet ugemellt a spenden e puer vun der Veraarbechtungskraaft vun hire Prozessoren a GPUs, sou datt de gréisste [verdeelt] Supercomputer an der Geschicht erstellt.
Mee fir wat genee sinn all dës exaflops benotzt? Firwat ass et néideg esou Rechenkraaft ze geheien ? Wéi eng Biochimie ass hei op der Aarbecht, firwat musse Proteine iwwerhaapt klappen? Hei ass e séieren Iwwerbléck iwwer Proteinfolding: wat et ass, wéi et geschitt a firwat et wichteg ass.
Als éischt, dat Wichtegst: Firwat sinn Proteine gebraucht?
Proteine si vital Strukturen. Si bidden net nëmmen Baumaterial fir Zellen, awer déngen och als Enzymkatalysator fir bal all biochemesch Reaktiounen. Kaweechelcher, sief dat oder , sinn laang Ketten , läit an enger bestëmmter Reihenfolge. D'Funktioune vu Proteine gi festgeluegt duerch déi Aminosäuren op bestëmmte Plazen um Protein lokaliséiert sinn. Wann zum Beispill e Protein un eng positiv gelueden Molekül muss bindelen, muss de Bindungsplaz mat negativ geluedenen Aminosäuren gefëllt sinn.
Fir ze verstoen wéi Proteinen d'Struktur kréien, déi hir Funktioun bestëmmt, musse mir d'Basis vun der Molekularebiologie an de Flux vun Informatioun an der Zell iwwergoen.
Produktioun, bzw Proteinen fänkt mam Prozess un . Wärend der Transkriptioun gëtt d'DNA Duebelhelix, déi d'genetesch Informatioun vun der Zell enthält, deelweis entwéckelt, wat erlaabt datt d'Stickstoffbase vun der DNA verfügbar sinn fir en Enzym genannt . D'Aarbecht vun RNA Polymerase ass eng RNA Kopie, oder Transkriptioun, vun engem Gen ze maachen. Dës Kopie vun engem Gen genannt (mRNA), ass eng eenzeg Molekül ideal fir intrazellulär Proteinfabriken ze kontrolléieren, déi an der Produktioun engagéiert sinn, oder Proteinen.
Ribosome handelen wéi Versammlungsmaschinnen - si huelen d'mRNA Schabloun a passen se mat anere klenge Stéck RNA, (tRNA). All tRNA huet zwou aktiv Regiounen - eng Sektioun vun dräi Basen genannt , déi musse mat den entspriechende Codonen vum mRNA passen, an e Site fir eng Aminosaier spezifesch fir dës ze binden . Wärend der Iwwersetzung probéieren tRNA Molekülle am Ribosom zoufälleg un d'mRNA ze bindelen mat Antikodonen. Wann et erfollegräich ass, befestegt d'tRNA Molekül seng Aminosäure un déi virdrun, a bildt déi nächst Link an der Kette vun Aminosäuren kodéiert duerch mRNA.
Dës Sequenz vun Aminosäuren ass den éischten Niveau vun der Proteinstrukturhierarchie, dofir ass et genannt . Déi ganz dreidimensional Struktur vun engem Protein a seng Funktiounen sinn direkt vun der Primärstruktur ofgeleet, an hänkt vun de verschiddenen Eegeschafte vun all vun den Aminosaieren an hir Interaktiounen mateneen of. Ouni dës chemesch Eegeschaften an Aminosaier Interaktiounen, si géifen linear Sequenze bleiwen ouni eng dreidimensional Struktur. Dëst kann all Kéier gesi ginn wann Dir Iessen kacht - an dësem Prozess gëtt et thermesch dräi-zweedimensional Struktur vun Proteinen.
Laang-Gamme Obligatiounen vun Protein Deeler
Den nächsten Niveau vun der dreidimensionaler Struktur, déi iwwer de primäre geet, krut e schlau Numm . Et enthält Waasserstoffbindungen tëscht Aminosäuren vu relativ noer Handlung. D'Haaptrei Essenz vun dëse stabiliséierend Interaktiounen kënnt op zwou Saachen erof: и . D'Alpha Helix bildt déi enk opgerullt Regioun vum Polypeptid, während d'Beta Blat déi glat, breet Regioun bildt. Béid Formatiounen hu souwuel strukturell wéi och funktionell Eegeschaften, ofhängeg vun de Charakteristiken vun hire konstituéierende Aminosäuren. Zum Beispill, wann d'Alpha Helix haaptsächlech aus hydrophilen Aminosäuren besteet, wéi oder , da wäert et héchstwahrscheinlech un wässerleche Reaktiounen deelhuelen.
Alpha Helices a Beta Blieder a Proteinen. Waasserstoffbindunge bilden sech wärend dem Proteinausdrock.
Dës zwou Strukturen an hir Kombinatioune bilden den nächsten Niveau vun der Proteinstruktur - . Am Géigesaz zu einfache Fragmenter vun der sekundärer Struktur ass d'tertiär Struktur haaptsächlech vun der Hydrophobitéit beaflosst. D'Zentren vun de meeschte Proteinen enthalen héich hydrophobe Aminosäuren, wéi z oder , a Waasser gëtt vun do ausgeschloss wéinst der "fetteg" Natur vun de Radikalen. Dës Strukture schéngen dacks an transmembrane Proteinen, déi an der Lipid-Bi-Layer Membran ëmginn Zellen agebonne sinn. Déi hydrophobe Regioune vun de Proteine bleiwen thermodynamesch stabil am fettegen Deel vun der Membran, während déi hydrophil Regioune vum Protein op béide Säiten dem wässerlechen Ëmfeld ausgesat sinn.
Och d'Stabilitéit vun tertiäre Strukture gëtt duerch laangfristeg Verbindungen tëscht Aminosäuren gesuergt. E klassescht Beispill vun esou Verbindungen ass , geschitt dacks tëscht zwee Cysteinradikale. Wann Dir eppes e bësse wéi verfault Eeër an engem Coiffeur salon während enger Perm Prozedur op d'Hoer vun engem Client richen, da war dat eng partiell Denaturatioun vun der tertiärer Struktur vun der Keratin an den Hoer enthalen, déi geschitt duerch d'Reduktioun vun Disulfid Bindungen mat der Hëllef vu Schwefelhaltege Mëschungen.
Tertiär Struktur gëtt stabiliséiert duerch laangfristeg Interaktiounen wéi Hydrophobitéit oder Disulfidbindungen
Disulfidverbindunge kënnen tëscht optrieden Radikale an der selwechter Polypeptidkette, oder tëscht Cysteine vu verschiddene komplette Ketten. Interaktiounen tëscht verschiddene Ketten formen Niveau vun Protein Struktur. En exzellent Beispill vu quaternärer Struktur ass et ass an Ärem Blutt. All Hämoglobinmolekül besteet aus véier identesche Globinen, Proteindeeler, déi jidderee op enger spezifescher Positioun am Polypeptid duerch Disulfidbrécke gehal gëtt, an ass och mat engem Hemmolekül mat Eisen assoziéiert. All véier Globine si mat intermolekuläre Disulfidbrécke verbonnen, an de ganze Molekül bindt sech un e puer Loftmoleküle gläichzäiteg, bis zu véier, a kann se wéi néideg befreien.
Modelléiere Strukturen op der Sich no enger Kur fir Krankheet
Polypeptid Ketten fänken un hir final Form wärend der Iwwersetzung ze klappen, wéi d'wuessend Kette aus dem Ribosom erauskënnt, sou wéi e Stéck Gedächtnislegierungsdraht kann komplex Formen uhuelen wann se erhëtzt ginn. Wéi ëmmer an der Biologie sinn d'Saachen awer net sou einfach.
A ville Zellen ënnerleien transkribéiert Genen eng extensiv Redaktioun virun der Iwwersetzung, wat d'Basisstruktur vum Protein wesentlech verännert am Verglach mat der purer Basissequenz vum Gen. An dësem Fall ruffen d'Translatiounsmechanismen dacks d'Hëllef vu molekulare Chaperonen, Proteinen, déi temporär un d'nascent Polypeptidkette binden a verhënneren datt se eng Zwëschenform unhuelen, aus där se dann net an d'Finale weidergoe kënnen.
Dëst ass alles ze soen datt déi lescht Form vun engem Protein virauszesoen keng trivial Aufgab ass. Fir Joerzéngte war deen eenzege Wee fir d'Struktur vu Proteinen ze studéieren duerch kierperlech Methoden wéi Röntgenkristallographie. Et war net bis de spéiden 1960er datt biophysikalesch Chemiker ugefaang hunn Berechnungsmodeller vu Proteinfolding ze bauen, haaptsächlech op sekundär Strukturmodelléierung konzentréieren. Dës Methoden an hir Nokommen erfuerderen enorm Quantitéiten un Inputdaten zousätzlech zu der primärer Struktur - zum Beispill Dëscher vun Aminosäurebindungswinkelen, Lëschte vun der Hydrophobitéit, gelueden Staaten, a souguer d'Konservatioun vun der Struktur a Funktioun iwwer evolutiver Zäitskala - alles fir roden wat wäert geschéien ausgesinn wéi déi lescht Protein.
Déi heuteg Berechnungsmethoden fir sekundär Strukturprognose, sou wéi déi, déi um Folding@Home Netzwierk lafen, funktionnéieren mat ongeféier 80% Genauegkeet - wat zimmlech gutt ass wann Dir d'Komplexitéit vum Problem berécksiichtegt. Daten generéiert vu viraussiichtleche Modeller iwwer Proteinen wéi de SARS-CoV-2 Spikeprotein ginn mat Daten aus kierperleche Studien vum Virus verglach. Als Resultat wäert et méiglech sinn déi exakt Struktur vum Protein ze kréien a vläicht ze verstoen wéi de Virus un d'Rezeptoren befestegt eng Persoun déi am Atmungstrakt läit, deen an de Kierper féiert. Wa mir dës Struktur erausfannen, kënne mir fäeg sinn Medikamenter ze fannen déi d'Bindung blockéieren an d'Infektioun verhënneren.
Protein Folding Fuerschung ass d'Häerz vun eisem Verständnis vu sou vill Krankheeten an Infektiounen datt och wa mir de Folding@Home Netzwierk benotze fir erauszefannen wéi een den COVID-19 besiegt, dee mir zënter kuerzem am Wuesstum gesinn explodéieren, d'Netzwierk wäert ' net laang idle sinn Aarbecht. Et ass e Fuerschungsinstrument dat gutt gëeegent ass fir d'Proteinmuster ze studéieren déi Dosende vu Proteinfehlerkrankheeten ënnersträichen, sou wéi Alzheimer Krankheet oder d'Variant Creutzfeldt-Jakob Krankheet, dacks falsch genannt Mad Kéi Krankheet. A wann en anere Virus zwangsleefeg erschéngt, si mir prett fir erëm ze kämpfen.
Source: will.com