Суперкомпьютер помог ученым в поиске терапии против смертельной бактериальной болезни
Бактерия Francisella tularensis, вызывающая туляремию ("кроличью лихорадку"), — один из самых опасных патогенов. Попадая в организм, она вызывает симптомы от язв до пневмонии с летальным исходом. Бактерия распространяется через контакт с зараженными животными, воду, укусы клещей и может быть использована как биологическое оружие: для заражения достаточно всего 10 микроорганизмов, распыленных аэрозолем.
Несмотря на вирулентность, оптимальная мишень для вакцины в генетическом материале бактерии не найдена. Понимание структуры её белков критически важно для разработки терапии, но их изучение затруднено сложностью выделения бактерии.
Ученые под руководством Абхишека Сингхарой из Университета штата Аризона использовали суперкомпьютер IBM AC922 Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж для моделирования структуры потенциальной мишени для лекарств — липопротеина Francisella lipoprotein 3 (Flpp3). Цель — выявить различные конформационные состояния этого белка.
Summit разрешает загадку
Ранее структуру Flpp3 изучали методами ЯМР (ядерный магнитный резонанс) и рентгеновской кристаллографии (XRC). В 2015 году с помощью ЯМР была получена одна структура, а позже с использованием источника синхротронного излучения LCLS — другая. Результаты различались: один метод показал "открытую" конформацию белка, другой — "закрытую". Оставалось неизвестным, что происходит между этими состояниями.
"В организме белки спонтанно открываются и закрываются, но в эксперименте вы видите только одно состояние", — пояснил Джош Вермаас, вычислительный ученый из OLCF.
Получив время на суперкомпьютере Summit (производительность 200 петафлопс), команда применила метод молекулярной динамики. Они провели тысячи симуляций систем из более чем 100 000 атомов каждая, чтобы смоделировать промежуточные состояния между результатами ЯМР и XRC. Исследователи обнаружили, что у белка есть полость (карман), которую молекула лекарства может занять, пока белок открывается или закрывается.
"Многие препараты, связывающиеся с мембранными белками, активируют или деактивируют их", — отметил Вермаас.
Открытие in silico
Имея полный набор моделей Flpp3, команда провела виртуальный скрининг соединений из базы данных ZINC. Найдя одну подходящую молекулу и модифицировав её для увеличения точек связывания, ученые разработали соединение, которое специфично встраивается глубоко в полость белка Flpp3.
"Мы выяснили, что разные состояния этого белка можно преодолеть при комнатной температуре, что упрощает лабораторные исследования", — сказал Сингхарой.
Следующий шаг — исследовать это соединение не только как лиганд, связывающийся с белком, но и как агент против туляремии.
Ученые надеются, что новое понимание конформаций белка в сочетании с виртуальным скринингом приведет к созданию антибиотиков против туляремии. Будущие исследования будут направлены на изучение антимикробного эффекта соединений, связывающихся с Flpp3.
"В конечном счете, эти результаты позволяют нам изучать мишени для лекарств более реалистично, чем когда-либо прежде", — заключил Сингхарой.