超級(jí)計(jì)算機(jī)捕捉生物細(xì)胞中的壓榨

使用日本最大的計(jì)算機(jī) - 世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)之一 - 由MSU科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究在理解蛋白質(zhì)如何受現(xiàn)實(shí)生物環(huán)境影響方面取得了突破。這項(xiàng)工作發(fā)表在最新一期的eLife上，是模擬計(jì)算機(jī)生物學(xué)的重要一步。“使生命發(fā)生并導(dǎo)致疾病的生物過(guò)程主要發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)部，可以用顯微鏡和其他技術(shù)進(jìn)行研究，但不夠詳細(xì)，” 負(fù)責(zé)該研究項(xiàng)目的MSU生物化學(xué)和分子生物學(xué)教授Michael Feig說(shuō)。。“我們的研究揭示了生物細(xì)胞內(nèi)究竟發(fā)生了什么，以及蛋白質(zhì)在自然環(huán)境中的特殊表現(xiàn)。”

該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究生物細(xì)胞中的擁擠是否會(huì)改變生物分子的特性及其發(fā)揮功能的能力。通過(guò)使用位于日本神戶RIKEN高級(jí)計(jì)算科學(xué)研究所的超級(jí)計(jì)算機(jī)“K計(jì)算機(jī)”，研究團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，模擬細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)部，并顯示詳細(xì)視圖各種分子組分如何在非常密集的環(huán)境中相互作用。

“我們的計(jì)算機(jī)模擬與完整原子細(xì)節(jié)模擬整個(gè)細(xì)胞的距離并不太遠(yuǎn)，”費(fèi)格說(shuō)。“這些超過(guò)1億個(gè)原子的模擬是這種模擬的最大模擬，比目前的典型研究工作大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。”

強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)模擬導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)一些蛋白質(zhì)在非常密集的環(huán)境中可能不穩(wěn)定，失去了生物功能所必需的結(jié)構(gòu)。該研究還發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)胞環(huán)境可能使參與相關(guān)生物過(guò)程的蛋白質(zhì)彼此更接近，這將提高細(xì)胞在將食物轉(zhuǎn)化為能量方面的整體效率。

“高峰期間的蛋白質(zhì)像東京地鐵里的人一樣擠壓在一起，高峰時(shí)段的擠壓侵犯了個(gè)人空間。但對(duì)于蛋白質(zhì)，這有時(shí)比我們想象的更受歡迎，”費(fèi)格說(shuō)。

第三個(gè)主要發(fā)現(xiàn)是較小的分子，例如那些提供食物和攜帶能量的分子，似乎被許多與較大蛋白質(zhì)相互作用的機(jī)會(huì)分散注意力，從而影響它們的生物學(xué)功能。

“這是了解生物化學(xué)家通常研究的分子如何在現(xiàn)實(shí)生活條件下相互作用的突破性成就，”密歇根大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)系主任Thomas Sharkey說(shuō)。“它將提供關(guān)鍵的見(jiàn)解，將用于治療癌癥和其他疾病的人們，這些疾病依賴于現(xiàn)在更好理解的細(xì)胞過(guò)程。”

但根據(jù)Feig的說(shuō)法，這只是詳細(xì)的全細(xì)胞模擬的開(kāi)始。

“未來(lái)的研究將致力于達(dá)到更長(zhǎng)的時(shí)間尺度，并朝著更大，更復(fù)雜的細(xì)胞，特別是人類細(xì)胞，更好地與人類疾病相關(guān)，”費(fèi)格說(shuō)。

Feig與RIKEN研究所的計(jì)算生物化學(xué)家Yuji Sugita合作進(jìn)行了研究。

“Feig教授和他在日本的合作者將分子活動(dòng)與細(xì)胞活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，這對(duì)下一波理解生物學(xué)的過(guò)程至關(guān)重要，”Sharkey說(shuō)。

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