Las simulaciones de supercomputación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía podrían cambiar la forma en que los investigadores entienden los movimientos internos de las proteínas que desempeñan funciones funcionales, estructurales y reguladoras en todos los organismos vivos. Los resultados del equipo aparecen en Física de la naturaleza .
"Nunca antes se habían visto las proteínas de esta manera", dijo el coautor Jeremy Smith, director del Centro de Biofísica Molecular de ORNL y Presidente del Gobernador de la Universidad de Tennessee UT. "Usamos una potencia informática considerable para proporcionar una imagen conceptual unificadade los movimientos en las proteínas en una amplia gama de escalas de tiempo, desde los períodos de tiempo más cortos en que los átomos se mueven picosegundos hasta la vida útil de las proteínas en las células aproximadamente 1000 segundos. Cambia lo que creemos que una proteína es fundamentalmente"
El estudio de las proteínas, su estructura y función, es esencial para avanzar en la comprensión de los sistemas biológicos relevantes para las diferentes ciencias energéticas y médicas, desde la investigación bioenergética y la biogeoquímica del subsuelo hasta el diseño de fármacos.
Los resultados obtenidos por el estudiante de posgrado de Smith UT, Xiaohu Hu, revelaron que la dinámica de las moléculas de proteínas individuales son "auto-similares" y están fuera de equilibrio en un enorme rango de escalas de tiempo.
Con la ayuda de Titan, la supercomputadora más rápida de los EE. UU., Ubicada en la Instalación de Computación de Liderazgo Oak Ridge de la Oficina de Ciencia del DOE, el equipo de Smith desarrolló una imagen completa de la dinámica de las proteínas, revelando que las fluctuaciones estructurales dentro de dos proteínas idénticasLas moléculas, incluso si están codificadas del mismo gen, resultan ser diferentes.
"Un gen es un código para una proteína, que produce diferentes copias de la proteína que deberían ser las mismas, pero las fluctuaciones internas de estas moléculas de proteína individuales pueden nunca alcanzar el equilibrio o converger", dijo Smith. "Esto se debe a quelas fluctuaciones en sí mismas están envejeciendo continuamente y no tienen suficiente tiempo para establecerse antes de que las moléculas de proteína se coman en la célula y se reemplacen ".
Comprender el fenómeno de desequilibrio tiene implicaciones biológicas porque la función de una proteína depende de sus movimientos. Dos moléculas de proteína individuales, aunque provengan del mismo gen, no funcionarán exactamente de la misma manera dentro de la célula.
"Puede tener, por ejemplo, dos moléculas enzimáticas idénticas que catalizan la misma reacción", dijo Smith. "Pero debido a la ausencia de equilibrio, la velocidad a la que ocurre la catálisis será ligeramente diferente para las dos proteínas. Estoafecta la función biológica de la proteína "
El equipo también descubrió que la dinámica de las moléculas de proteínas individuales son similares o fractales en todo el rango de escalas de tiempo. En otras palabras, los movimientos en una molécula de proteína única se ven iguales sin importar cuánto tiempo los mire, desdepicosegundos a cientos de segundos.
"Los movimientos en una proteína, cómo se mueven y se menean los trozos de la proteína entre sí, se parecen entre sí en todas estas escalas de tiempo", dijo Smith. "Representamos la forma de una proteína como un punto. Si cambiasu forma debido a los movimientos, va a un punto diferente, y así sucesivamente. Unimos estos puntos, dibujamos imágenes, y descubrimos que estas imágenes son las mismas cuando las miras en cualquier escala de tiempo, ya sea nanosegundos, microsegundos omilisegundos "
Al construir una imagen más completa de la dinámica de las proteínas, la investigación del equipo revela que los movimientos de una sola molécula de proteína en escalas de tiempo muy rápidas se parecen a los que gobiernan la función de la proteína.
Para completar todas las simulaciones, el equipo combinó el poder de Titán con otras dos supercomputadoras: Anton, una computadora paralela especializada construida por DE Shaw Research, y Hopper, la supercomputadora Cray XE6 del Centro Nacional de Investigación Científica de Energía ubicada en LawrenceLaboratorio Nacional de Berkeley.
"Titán fue especialmente útil para nosotros para obtener estadísticas precisas", dijo Smith. "Nos permitió hacer muchas simulaciones para reducir los errores y obtener resultados más seguros".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Original escrito por Miki Nolin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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