像任何裝配線(xiàn)一樣，身體的蛋白質(zhì)構(gòu)建過(guò)程產(chǎn)生機(jī)械力，因?yàn)樗a(chǎn)生這些重要的細(xì)胞構(gòu)建塊?，F(xiàn)在，一組研究人員表示他們距離理解這種力量還有一步之遙。他們還建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，以幫助指導(dǎo)科學(xué)家未來(lái)調(diào)查身體如何產(chǎn)生蛋白質(zhì)。

“在過(guò)去的五年中，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在其合成過(guò)程中自組裝并折疊成三維結(jié)構(gòu)時(shí)，可以產(chǎn)生機(jī)械力，從而改變蛋白質(zhì)合成的速度，”Edward O'說(shuō)。布里恩，賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)助理教授和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究所共同雇用。“在這項(xiàng)研究之前，未知的是蛋白質(zhì)折疊的特征決定了機(jī)械力的強(qiáng)度。重要的是要了解影響這臺(tái)機(jī)器工作速度的因素，因?yàn)樗俣纫驯蛔C明可以確定蛋白質(zhì)的功能，結(jié)構(gòu)和行為在細(xì)胞中。“

用于制造組織，骨骼和肌肉的蛋白質(zhì)由核糖體合成，核糖體是一種分子機(jī)器，其目的是將信使RNA或mRNA中包含的遺傳信息轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)。核糖體沿mRNA移動(dòng)，讀取其中包含的代碼并添加與延伸蛋白鏈的連接，其通過(guò)窄管離開(kāi)核糖體。最終，這個(gè)過(guò)程將未折疊的蛋白質(zhì)拼接在一起，一旦它離開(kāi)管子，就會(huì)開(kāi)始復(fù)雜的折疊過(guò)程，從而形成三維形狀。

根據(jù)O'Brien的說(shuō)法，蛋白質(zhì)的形狀或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性以及平移速度決定了折疊過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)械力。他補(bǔ)充說(shuō)，新生蛋白質(zhì)在此過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的距離實(shí)際上非常大，至少與化學(xué)反應(yīng)的微小世界的尺寸相比。

“當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被合成時(shí)，它通過(guò)一個(gè)狹長(zhǎng)的通道或管子出現(xiàn)，長(zhǎng)度約為10納米，直徑為1.5納米，”奧布萊恩說(shuō)。“蛋白質(zhì)不會(huì)在該管內(nèi)折疊，但隨著新生鏈從管中出現(xiàn)，它開(kāi)始折疊。對(duì)我們和社區(qū)來(lái)說(shuō)，有趣的是這種力傳遞超過(guò)10納米，這是很長(zhǎng)的比較與分子長(zhǎng)度尺度相比，化學(xué)鍵的長(zhǎng)度約為0.1納米。“

奧布萊恩說(shuō)，這種機(jī)械力可以提供反饋并改變合成發(fā)生的速度。

賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)博士候選人，該論文的第一作者Sarah Leininger說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)使用了大量的計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行這項(xiàng)研究，該研究于今天(3月1日)在線(xiàn)發(fā)表在“ 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上。她補(bǔ)充說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)使用了大約500萬(wàn)計(jì)算機(jī)時(shí)間來(lái)獲得研究結(jié)果，并創(chuàng)建了類(lèi)似于電影的合成過(guò)程的模擬。

O'Brien說(shuō)，由于模擬蛋白質(zhì)合成復(fù)雜性所需的計(jì)算能力，團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)模擬模型，幫助他們準(zhǔn)確地估計(jì)過(guò)程。

“這些模擬主要是分子動(dòng)態(tài)模擬，使我們可以模擬系統(tǒng)隨時(shí)間的演變，”奧布萊恩說(shuō)。“我們模型的關(guān)鍵方面是我們使用粗粒度模擬，其中我們不代表每個(gè)原子，但我們近似并描述原子組，將它們分組到我們模擬中的一個(gè)交互位點(diǎn)。這可以讓我們模擬更長(zhǎng)的時(shí)間縮放并能夠建模我們無(wú)法模擬的過(guò)程。“

模擬 - 以及描述模擬的研究人員設(shè)計(jì)的方程式 - 可以幫助節(jié)省研究蛋白質(zhì)合成的科學(xué)家的時(shí)間和金錢(qián)。例如，科學(xué)家可以在幾秒鐘內(nèi)在筆記本電腦上進(jìn)行計(jì)算，而不是在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行昂貴的實(shí)驗(yàn)或數(shù)月的模擬。

奧布萊恩說(shuō)：“這使我們能做的事情 - 以及其他科學(xué)家所做的 - 沒(méi)有進(jìn)行昂貴的模擬，甚至沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們可以合理地估計(jì)會(huì)發(fā)生什么。”