Pandemik COVID-19 ayeuna parantos nyiptakeun seueur masalah anu hacker senang diserang. Tina tameng pameunteu anu dicitak 3D sareng masker médis buatan bumi pikeun ngagentos ventilator mékanis pinuh, aliran ideu mere ilham sareng manah. Dina waktos anu sami, aya usaha pikeun maju di daérah sanés: dina panalungtikan anu ditujukeun pikeun merangan virus éta sorangan.
Tétéla, poténsi anu paling hébat pikeun ngeureunkeun pandémik anu ayeuna sareng ngalangkungan sadayana anu salajengna aya dina pendekatan anu nyobian dugi ka akar masalahna. Pendekatan "nyaho musuh anjeun" ieu dilaksanakeun ku proyék komputasi Folding@Home. Jutaan jalma parantos ngadaptarkeun proyék éta sareng nyumbangkeun sababaraha kakuatan pamrosésan prosesor sareng GPU na, sahingga nyiptakeun superkomputer [disebarkeun] panggedéna dina sajarah.
Tapi naon kahayang anu sagala exaflops ieu dipaké pikeun? Naha perlu buang kakuatan komputasi sapertos di ? Jenis biokimia naon anu dianggo di dieu, naha protéin kedah ngalipet? Ieu gambaran gancang tina tilepan protéin: naon éta, kumaha kajadianana, sareng kunaon éta penting.
Kahiji, hal pangpentingna: naha protéin diperlukeun?
Protéin mangrupikeun struktur anu penting. Éta henteu ngan ukur nyayogikeun bahan wangunan pikeun sél, tapi ogé janten katalis énzim pikeun ampir sadaya réaksi biokimia. Bajing, jadi maranéhna atawa , nyaéta ranté panjang , ayana dina runtuyan nu tangtu. Fungsi protéin ditangtukeun ku mana asam amino lokasina di tempat nu tangtu dina protéin. Upami, contona, protéin kedah ngabeungkeut molekul anu muatanana positip, situs beungkeutan kedah dieusian ku asam amino anu muatanana négatif.
Pikeun ngarti kumaha protéin acquire struktur nu nangtukeun fungsi maranéhanana, urang kudu balik leuwih dasar biologi molekular jeung aliran informasi dina sél.
Produksi, atawa protéin dimimitian ku prosés . Salila transkripsi, héliks ganda DNA, nu ngandung informasi genetik sél, sawaréh unwinds, sahingga basa nitrogén DNA sadia pikeun énzim nu disebut. . Tugas RNA polimérase nyaéta nyieun salinan RNA, atawa transkripsi, tina gén. Ieu salinan gén disebut (mRNA), nyaéta molekul tunggal idéal pikeun ngadalikeun pabrik protéin intrasélular, anu kalibet dina produksi, atawa protéin.
Ribosom bertindak sapertos mesin rakitan - aranjeunna nyandak citakan mRNA sareng cocog sareng potongan RNA leutik anu sanés, (tRNA). Unggal tRNA boga dua wewengkon aktif - bagian tina tilu basa disebut , nu kudu cocog jeung kodon nu saluyu tina mRNA, sarta situs pikeun ngariung asam amino husus pikeun ieu. . Salila tarjamahan, molekul tRNA dina ribosom sacara acak nyoba ngabeungkeut mRNA ngagunakeun antikodon. Lamun sukses, molekul tRNA nempelkeun asam amino na ka nu saméméhna, ngabentuk link salajengna dina ranté asam amino disandi ku mRNA.
Runtuyan asam amino ieu mangrupikeun tingkat kahiji tina hirarki struktural protéin, ku sabab éta disebut. . Sakabéh struktur tilu diménsi protéin jeung fungsina langsung diturunkeun tina struktur primér, sarta gumantung kana rupa-rupa sipat unggal asam amino sarta interaksi maranéhanana jeung lianna. Tanpa sipat kimiawi ieu sareng interaksi asam amino, aranjeunna bakal tetep runtuyan linier tanpa struktur tilu diménsi. Ieu tiasa ditingali unggal waktos anjeun masak tuangeun - dina prosés ieu aya termal struktur tilu diménsi protéin.
Beungkeut jarak jauh bagian protéin
Tingkat salajengna tina struktur tilu diménsi, saluareun anu primér, dibéré ngaran pinter . Ieu ngawengku beungkeut hidrogén antara asam amino aksi rélatif deukeut. Hakekat utama interaksi stabilisasi ieu turun ka dua hal: и . Héliks alfa ngabentuk daérah polipéptida anu dililit pageuh, sedengkeun lambaran béta ngabentuk daérah anu lega. Kadua formasi éta gaduh sipat struktural sareng fungsional, gumantung kana karakteristik asam amino konstituénna. Contona, lamun héliks alfa utamana diwangun ku asam amino hidrofilik, kawas atawa , mangka paling dipikaresep bakal ilubiung dina réaksi cai.
Heliks alfa sareng lambaran béta dina protéin. Beungkeut hidrogén kabentuk nalika éksprési protéin.
Dua struktur ieu sareng kombinasina ngabentuk tingkat salajengna tina struktur protéin - . Teu kawas fragmen basajan tina struktur sekundér, struktur térsiér utamana dipangaruhan ku hidrofobik. Puseur lolobana protéin ngandung asam amino kacida hidrofobik, kayaning atawa , sarta cai teu kaasup ti dinya alatan sipat "greasy" tina radikal. Struktur ieu sering muncul dina protéin transmémbran anu dipasang dina mémbran lipid bilayer sabudeureun sél. Wewengkon hidrofobik protéin tetep stabil sacara termodinamika di jero bagian lemak mémbran, sedengkeun daérah hidrofilik protéin kakeunaan lingkungan cai dina dua sisi.
Ogé, stabilitas struktur térsiér dipastikeun ku beungkeut jarak jauh antara asam amino. Conto klasik tina sambungan sapertos kitu , sering lumangsung antara dua radikal sistein. Upami anjeun ngambeu hal sapertos endog busuk dina salon rambut nalika prosedur perm dina rambut klien, maka ieu mangrupikeun denaturasi parsial tina struktur tersiér keratin anu aya dina rambut, anu lumangsung ngaliwatan réduksi beungkeut disulfida sareng bantuan walirang-ngandung campuran.
Struktur térsiér distabilkeun ku interaksi jarak jauh sapertos hidrofobik atanapi beungkeut disulfida
Beungkeut disulfida bisa lumangsung antara radikal dina ranté polipéptida sarua, atawa antara sistein tina ranté lengkep béda. Interaksi antara ranté béda kabentuk tingkat struktur protéin. Hiji conto alus teuing tina struktur kuarterner nyaeta éta dina getih anjeun. Unggal molekul hémoglobin diwangun ku opat globin idéntik, bagian protéin, nu masing-masing dicekel dina posisi husus dina polipéptida ku sasak disulfida, sarta ogé pakait jeung molekul hém ngandung beusi. Opat globin dihubungkeun ku sasak disulfida antarmolekul, sarta sakabéh molekul ngiket ka sababaraha molekul hawa sakaligus, nepi ka opat, sarta bisa ngaleupaskeun sakumaha diperlukeun.
Modeling struktur milarian ubar pikeun panyakit
Ranté polipéptida ngawitan ngalipet kana wangun ahirna nalika ditarjamahkeun, sabab ranté anu tumuwuh kaluar tina ribosom, sapertos sapotong kawat paduan mémori anu tiasa janten bentuk kompleks nalika dipanaskeun. Nanging, sapertos biasa dina biologi, hal-hal henteu saderhana.
Dina loba sél, gén ditranskripsi ngalaman éditan éksténsif saméméh tarjamah, nyata ngarobah struktur dasar protéin dibandingkeun jeung runtuyan basa murni gén. Dina hal ieu, mékanisme tarjamahan mindeng merlukeun bantuan chaperones molekular, protéin nu samentara meungkeut ranté polipéptida nascent sarta nyegah eta tina nyokot sagala bentuk panengah, ti mana maranéhna moal bisa ngaléngkah ka final.
Ieu sadayana nyarios yén ngaramal bentuk ahir protéin sanés tugas anu sepele. Mangtaun-taun, hiji-hijina cara pikeun ngulik struktur protéin nyaéta ngaliwatan métode fisik sapertos kristalografi sinar-X. Nepi ka ahir taun 1960-an ahli kimia biofisika mimiti ngawangun modél komputasi tina tilepan protéin, utamana museurkeun kana modeling struktur sekundér. Métode ieu sareng turunanna ngabutuhkeun jumlah data input anu ageung salian ti struktur primér - contona, tabel sudut beungkeut asam amino, daptar hidrofobik, kaayaan muatan, sareng bahkan konservasi struktur sareng fungsi dina skala waktos évolusionér - sadayana pikeun nebak naon anu bakal kajadian kasampak kawas protéin final.
Métode komputasi dinten ayeuna pikeun prediksi struktur sekundér, sapertos anu dijalankeun dina jaringan Folding@Home, tiasa dianggo kalayan akurasi kira-kira 80% - anu lumayan saé upami merhatikeun pajeulitna masalah. Data anu dihasilkeun ku modél prediktif ngeunaan protéin sapertos protéin spike SARS-CoV-2 bakal dibandingkeun sareng data tina studi fisik virus. Hasilna, bakal tiasa kéngingkeun struktur protéin anu pasti sareng, panginten, ngartos kumaha virus nempel kana reséptor. jalma anu aya dina saluran pernapasan ngarah kana awak. Upami urang tiasa terang struktur ieu, urang tiasa mendakan ubar anu ngahalangan beungkeutan sareng nyegah inféksi.
Panaliti lipatan protéin mangrupikeun pusat pamahaman urang ngeunaan seueur panyakit sareng inféksi anu bahkan nalika urang nganggo jaringan Folding@Home pikeun terang kumaha carana ngelehkeun COVID-19, anu ku urang tingali ngabeledug dina kamekaran akhir-akhir ieu, jaringan bakal meunang. teu dianggurkeun pikeun lila. Éta mangrupikeun alat panaliti anu cocog pikeun ngulik pola protéin anu nyababkeun puluhan panyakit salah lipatan protéin, sapertos Panyakit Alzheimer atanapi varian panyakit Creutzfeldt-Jakob, anu sering disebat panyakit sapi gila. Sareng nalika virus sanés muncul, urang bakal siap pikeun ngamimitian ngalawan deui.
sumber: www.habr.com