Wykorzystując moc komputerową ponad 70 tys. stacji roboczych na całym świecie naukowcom z Howard Hughes Medical Institute (HHMI) w USA udało się po raz pierwszy z dużą dokładnością przewidzieć strukturę trzeciorzędową niewielkiego białka wyłącznie na podstawie jego sekwencji aminokwasowej. Podczas modelowania użyto programu do przewidywania struktury białek oraz do doprecyzowania modeli generowanych za pomocą technik eksperymentalnych (jak krystalografia rentgenowska czy spektroskopia NMR).
Program Bakera i jego współpracowników z University of Washington oraz z University of Cambridge pomoże biologom strukturalnym budować coraz to dokładniejsze modele białek, a w przyszłości może stanowić pomoc w rozwiązaniu problemu fazowego w analizach krystalograficznych. Algorytm wymaga jednak bardzo dużej mocy obliczeniowej, którą na potrzeby odkrycia udostępniało ponad 70 tys. użytkowników komputerów z całego świata w ramach projektu Rosetta@home.
Od wielu lat grupa Bakera odnosi sukcesy w rozwoju metod komputerowych do przewidywania jaki kształt w przestrzeni przyjmie dany łańcuch polipeptydowy. Proces zwijania białka jest symulowany przez program zwany Rosetta, który oblicza, które z potencjalnych kształtów białka są najbardziej prawdopodobnie i mają najniższą energię. Największy problem jak dotąd stanowi fakt, iż łańcuch polipeptydowy może w trakcie procesu zwijania “utknąć” w tylko częściowo zwiniętej strukturze lub w całkowicie błędnym zwoju. Aby uniknąć takich sytuacji, Baker i jego grupa opracowali metodę do odbudowywania i poprawiania modeli, która identyfikuje regiony, które będą się potencjalnie nieprawidłowo zwijały, wycina się je z modelu i poddaje osobnemu modelowaniu generując serię alternatywnych konformacji łańcucha.
Jeśli pojedyncza próba odbudowywania i doprecyzowania modelu nie wygeneruje struktury o najniższej energii procedura jest powtarzana z użyciem procesu selekcji. W każdej iteracji produkowana jest seria modeli, z których do kolejnych rund komputerowego remodelowania i udokładniania wybierane są te o najniższej energii.
Takie podejście dowodzi jak duży postęp nastąpił w metodach przewidywania struktury białek. Korzyści będą ogromne, zwłaszcza w dziedzinie projektowania potencjalnych leków oraz przy precyzyjnym opracowywaniu modeli pochodzących z eksperymentów. Bakerowi udało się dowieść, że u użyciem takiego podejścia można budować wysokiej jakości modele, które mogą pomóc z rozwiązaniu problemu fazowego w krystalografii i przy udokładnianiu struktur pochodzących z analizy NMR.
Aby dowieść, że program generuje prawidłowe modele bliskie strukturze natywnej, naukowcy modelowali białka, dla których struktura została już rozwiązana, a następnie porównywali wygenerowany model z prawidłową strukturą. W wielu przypadkach podczas przewidywania struktury analizy komputerowe wspierano danymi pochodzącymi z eksperymentów. Spektakularnym sukcesem okazał się jednak wysokiej jakości model białka zbudowany w oparciu o sekwencje aminokwasową bez włączania do procesu modelowania żadnych dodatkowych informacji.
Wyniki grupy Bakera dowodzą, że przewidywanie struktury białek, przynajmniej dla niewielkich makrocząsteczek jest wystarczająco dokładne aby za jego pomocą generować wysokiej jakości modele. Co więcej, projekt udowodnił, że masowe użycie stacji roboczych miało sens. Rosetta@Home umożliwił nie tylko zbudowanie modelu dla białka, ale także promował aktywność naukową wśród ludzi na całym świecie, gdyż właściciele komputerów udostępnionych do obliczeń bardzo chętnie poszerzali swoją wiedzę z zakresu biologii strukturalnej i molekularnej.
Strona internetowa projektu Rosetta@Home: http://boinc.bakerlab.org/rosetta/
Joanna Kasprzak (Czwojdrak)
źródło: ScienceDaily.com
