Раскрыты энергетические секреты клетки с помощью суперкомпьютеров

Ключевую роль в снабжении клетки энергией играет миграция аденозинтрифосфата (ATP) из "энергостанции" клетки — митохондрии. Критически важным для этого потока является взаимодействие между ферментом гексокиназой-II (HKII) и белками потенциал-зависимого анионного канала (VDAC), расположенного на внешней мембране митохондрии.

С помощью суперкомпьютерного моделирования впервые было выявлено, как именно VDAC связывается с HKII. Работа поддержана ресурсами Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) на системе Stampede2 Техасского центра передовых вычислений (TACC). XSEDE финансируется Национальным научным фондом США (NSF).

Результаты моделирования

  • Исследование, опубликованное в Nature Communications Biology в июне 2021 года, показало, что при связывании фермента и канальных белков проводимость канала изменяется и частично блокирует поток ATP.
  • Модель комплекса VDAC-HKII, созданная командой, является наиболее детальной на сегодняшний день. Система состояла примерно из 700 000 атомов, включая мембрану.
  • Подход объединил высокоточное молекулярно-динамическое моделирование на уровне всех атомов с более грубыми методами броуновской динамики.
  • Учёные смоделировали процесс, при котором HKII сначала связывается с мембраной, дрейфует по ней и, наконец, сталкивается и связывается с белком VDAC.

Значение для науки и медицины

  • Эта фундаментальная работа помогает понять молекулярную основу таких заболеваний, как рак.
  • Канал VDAC критически важен для эффективной доставки ATP непосредственно к гексокиназе. Этот механизм работает как "палка о двух концах": он полезен для здоровой клетки, но также помогает выживать и размножаться раковым клеткам.
  • Исследователи также показали, как процесс фосфорилирования влияет на связывание двух белков, что было подтверждено экспериментально.

Роль суперкомпьютеров

  • Без ресурсов XSEDE и суперкомпьютеров, таких как Stampede2, подобные сложные проекты были бы невозможны из-за высокой вычислительной стоимости.
  • Учёные используют разработанный их центром программный пакет NAMD для молекулярной динамики, который постоянно оптимизируется при поддержке специалистов TACC.
  • Исследователи называют свою работу "вычислительным микроскопом", позволяющим наблюдать за молекулярными процессами в деталях, недоступных для экспериментальных методов.

Дальнейшие планы

  • Следующие шаги включают моделирование ещё более амбициозных систем, таких как слияние клеток (важно для нейробиологии) или слияние вируса (например, коронавируса) с клеткой-хозяином.
  • Для этих целей группа получила выделенные ресурсы на флагманском суперкомпьютере NSF Frontera в TACC.