Магия кино — молекулы в 4D
Компьютерное моделирование поведения мельчайших строительных блоков организма помогает учёным раскрыть роль молекул в развитии человеческих болезней.
В серии недавних исследований учёные из Школы биомедицинских наук Университета Монаша показали, насколько важны движения и взаимодействия молекул для развития, обнаружения и реакции организма на заболевания.
Команда под руководством адъюнкт-профессора Эшли Бакла создаёт симуляции, которые могут занимать месяцы работы на суперкомпьютере. Они раскрывают молекулярную «хореографию» белков, которую невозможно обнаружить с помощью чисто экспериментальных методов.
Традиционно в этой области для получения «снимка» структуры молекулы использовали рентгеноструктурный анализ. Однако многие переходные взаимодействия между молекулами невозможно увидеть экспериментально. Именно они объясняют поведение белков и то, что происходит, когда они «выходят из строя». Учёным нужно экстраполировать экспериментальные данные — «снимки» — и воссоздать движения молекул.
Три недавние публикации демонстрируют важность этого нового исследовательского подхода:
- Иммунный ответ (статья в PLoS Computational Biology): Симуляции показали ключевую роль движения белков иммунной системы в распознавании инфекций и запуске иммунного ответа. Это добавило новое измерение в понимание процесса.
- Мишень для антибиотиков (также в PLoS Computational Biology): Исследование объяснило, почему фермент — потенциальная мишень для антибиотиков — эффективно работает, будучи жёстко зафиксированным в группе из четырёх молекул, но не в «шаткой» паре. Понимание этой структуры может помочь в разработке методов лечения устойчивого к антибиотикам супермикроба MRSA.
- Мутация, вызывающая цирроз печени (статья в Biophysical Journal): При рентгеноструктурном анализе нормальный и мутантный белок выглядят абсолютно одинаково. Однако симуляция выявила важные различия в движении молекул, что может объяснить, почему мутантный белок ведёт себя неправильно и вызывает болезнь.
Симуляции оказались настолько ценными, что команда создала собственную суперкомпьютерную систему «Orchard» в Университете Монаша. Это значительно ускорило исследования.
Собственный 800-ядерный суперкомпьютер позволяет проводить симуляции круглосуточно. Они настолько сложны, что для создания «фильма», представляющего долю микросекунды в реальном времени, требуются месяцы. Используя общий вычислительный ресурс, симуляции, которые команда вела два года, к настоящему моменту были бы далеки от завершения.