Algunos de los procesos más esenciales en el planeta implican que el agua y la energía entren y salgan de las células.
Los porteros celulares responsables de este acceso se conocen como transportadores de acuaporinas y glucosa, dos familias de proteínas que facilitan el flujo rápido pero selectivo de agua, glucosa y otras sustancias pequeñas a través de las membranas biológicas.
Las aquaporinas están presentes en todos los reinos de la vida, lo que demuestra su papel central en el mantenimiento de la salud de todos los organismos. La primera aquaporina fue descubierta en 1992, ganando a su descubridor, Peter Agre, el Premio Nobel de Química en 2003. Desde entonces,se han identificado más de 450 acuaporinas individuales.
Los experimentos basados en computadora, en particular las simulaciones de dinámica molecular MD, han demostrado ser importantes para determinar cómo los materiales penetran a través de las proteínas del canal a nivel molecular.
Según Liao Chen, las descripciones de los transportadores de glucosa en los libros de texto han subestimado la complejidad de cómo funcionan estas proteínas. Los experimentos y la cristalografía de rayos X solo pueden capturar tantos detalles, y las simulaciones por computadora han limitado su capacidad para modelar sistemas a gran escalaque incluyen las complejidades de la membrana involucradas en la activación y otros factores.
Chen ha estudiado este problema utilizando supercomputadoras en el Centro de Computación Avanzada de Texas TACC durante más de una década, con una precisión y complejidad cada vez mayores.
"Como físico teórico, creo firmemente en lo que dijo Richard Feynman: que todo lo que hacen los seres vivos se puede entender en términos de jigglings y meneos de átomos", dijo Chen. "Hemos tratado de construir un puente desdela agitación y la agitación de millones de átomos al comportamiento determinista muy simple de los sistemas biológicos "
Desde 2019, ha aplicado el poder de modelado de Frontera, una de las supercomputadoras más poderosas del mundo, para investigar cómo las acuaporinas y los transportadores de glucosa en los glóbulos rojos humanos transportan agua y glucosa dentro y fuera de la célula.
"Estamos construyendo modelos de proteínas de membrana a partir de átomos que incluyen su entorno inmediato en la membrana", dijo Chen. "La membrana está compuesta de lípidos y las valvas interior y exterior son asimétricas. Cualitativamente, entendemos cómo se mueven el agua y la glucosa, pero nadie ha modelado la membrana correctamente para obtener una precisión cuantitativa que es una norma en otras ramas de la física. Nos estamos moviendo en esa dirección ".
La investigación de Chen ha encontrado diferencias significativas entre los resultados producidos por modelos simples y los más realistas que usa.
"Con Frontera, hemos podido acercarnos a la realidad y lograr un acuerdo cuantitativo entre los experimentos y las simulaciones por computadora", dijo.
Más allá de la función biológica básica de las acuaporinas y los transportadores de glucosa, estas proteínas están implicadas en enfermedades como el síndrome de Vivo, un trastorno neurológico y múltiples formas de cáncer. En abril de 2020, Chen publicó un artículo en Fronteras en física aplicando la investigación a un parásito causante de enfermedad que es un análogo útil para el virus que causa la malaria en humanos. Los investigadores también están investigando la manipulación de estas proteínas como tratamiento para ciertos tipos de cáncer, lo que limita la disponibilidad de los nutrientes necesariospara detener el crecimiento de tumores.
El movimiento del agua dentro y fuera de las células implica el más simple de los transportadores de membrana. Sin embargo, los transportadores de glucosa que conducen la glucosa, que proporciona la energía necesaria para todas las células, a través de las membranas celulares son más complicados.
"El mecanismo de cómo se transporta la glucosa es controvertido, pero creo que ahora estamos muy cerca de la respuesta", dijo Chen.
Durante mucho tiempo se supuso que los transportadores de glucosa obedecen la teoría del acceso alternativo como muchas otras proteínas en la superfamilia facilitadora principal. Las proteínas en esta superfamilia tienen dos grupos de hélices transmembrana que se teorizan para oscilar entre sí. De esa manera, la proteína puedeestar abierto en el lado extracelular para permitir que el azúcar entre en la proteína. Luego, los dos grupos se balancean para que la proteína se abra hacia el lado intracelular permitiendo que el azúcar salga de la proteína y entre al citoplasma. La proteína se mantiene alternando entre las conformaciones abiertas alafuera y abierto al interior para transportar la energía necesaria en el metabolismo celular.
Sin embargo, los transportadores de glucosa son distintos de los otros miembros de esta gran superfamilia de proteínas transportadoras. A diferencia de los otros miembros que son transportadores activos con suministros de energía disponibles, los transportadores de glucosa son facilitadores pasivos; no tienen un suministro de energía para permitirChen cree que los transportadores de glucosa pueden no obedecer la teoría del acceso alternativo y comenzó a examinar los transportadores de glucosa 1 y 3 muy de cerca.
"Nuestros estudios indican que una vez que colocamos este transportador simple en las células, si usa una membrana asimétrica, el transportador no tiene que pasar por un mecanismo de acceso alternativo", dijo Chen. "En realidad tiene una puerta en el lado extracelular".eso fluctúa entre estar abierto y cerrado en función de la temperatura corporal. Entonces, ese es un ejemplo de diversidad en el mecanismo de las proteínas transportadoras ".
Chen ha publicado dos documentos sobre este tema específico hasta ahora. Escribiendo ACS Chem. Neurociencia , su equipo proporcionó un estudio cuantitativo del transportador de glucosa 3, que es común en el sistema nervioso central y por lo tanto llamado transportador neuronal de glucosa. En un artículo más reciente en Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica sugirieron la nueva posibilidad de cómo funcionan los transportadores de glucosa.
El equipo de Chen también realiza experimentos de laboratorio para ver el comportamiento general de la célula y para obtener una verdad básica con la que comparar sus modelos. Pero se requieren supercomputadoras para obtener los detalles mecanicistas específicos.
En abril de 2020, Chen recibió 200,000 horas de nodo en Frontera para modelar los canales de proteínas con mayor detalle.
"En Frontera, cada núcleo es más rápido y el sistema es masivo, por lo que podemos modelar sistemas más grandes mucho más rápido", dijo. "Los sistemas más grandes son imprescindibles. Cuando se trata de sistemas pequeños, no estás cerca derealidad."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Aaron Dubrow. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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