Computer können die ausführliche Zelle von kleinen Proteinen sowie die experimentellen Methoden, mindestens etwas von der Zeit, entsprechend neuen Studien durch Howard Hughes Medical Institute-Forscher fast voraussagen.
Die Ergebnisse, die in der Zapfen Wissenschaft berichtet wurden, liefern einen Glimmer der Hoffnung, dem Wissenschaftler schließlich möglicherweise sind, die Zelle von Proteinen von ihren genomischen Reihenfolgen zu bestimmen, ein Problem, das unüberwindlich geschienen hat.
„Für mehr als 40 Jahre, Leute haben gewusst, dass die Aminosäurereihenfolge eines Proteins seine dreidimensionale Zelle festlegt, aber niemand in der Lage gewesen ist, die Reihenfolge in eine genaue Zelle zu übertragen,“ sagten älteren Autor David Baker, ein HHMI-Forscher an University of Washington. „Der Grund, den diese Forschung aufregend ist, ist, dass wir Fortschritt in der Vorhersage der Zelle von der Reihenfolge zeigen. Es ist, nicht dass das Problem gelöst wird, aber dass es gibt Hoffnung.“
Proteine sind biologische Maschinen und Wissenschaftler müssen ihre Zellen bestimmen, um zu verstehen, wie die Proteine arbeiten. Jetzt bestimmen Wissenschaftler Zellen ausschließlich, indem sie die Atomeigenschaften von Proteinen im Labor messen. Demgegenüber „in diesem Fall berührten wir nie ein Reagenzglas,“ sagte Baker. „Wir gaben es zu einem Computer und sagten, „gehen Sie. „“
In der Studie faltete ein hoch entwickeltes Computerprogramm 17 kurze Zeichenketten von Aminosäuren in 100.000 mögliche Varianten. Als die Forscher die besten Vorhersagen mit den tatsächlichen Zellen verglichen, die früher von anderen Wissenschaftlern gelöst wurden, die experimentelle Techniken verwenden, hatten sie die gleiche Erfolgskinetik wie die besten Schlagmänner in der obersten Baseballliga.
„Wir erzielten fast Atomauflösung in der Zellenvorhersage für ungefähr Drittel unseres Benchmarksets kleiner Proteine,“ sagte ersten Autor Philip Bradley, ein promovierter wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor des Bäckers. „Es ist ein wirklicher Schritt nach vorn, zum von Zellen zu erzielen, die auf gewisse Weise vergleichbar sind mit, was Sie vorbei erhalten können experimentieren.“
Die aufmunternden Ergebnisse kommen von einer Verfeinerung eines hoch entwickelten Computers, der Programm Ruf-Rosetta formt, zuerst entwickelt im Labor einiges Jahren vor Bäckers. Das Programm arbeitet an der Voraussetzung, dass Proteine in ihren Zustand der niedrigsten Energie einstürzen, wie einer Kugel, die unten einen Hügel rollt, bis er kommt, auf waagerecht ausgerichtetem Boden stillzustehen. Die Energie von Hunderten von den Tausenden der möglichen Formen, die durch den Computer erzeugt werden, wird berechnet, und die Form der niedrigsten Energie wird als die Vorhersage ausgewählt.
Das Vorhersageverfahren geschieht in zwei Schritten, sagte Bradley. Die erste Phase verwendet ein ungefähres Baumuster, das schnelle Berechnung der Energie erlaubt und also kann schnell durchgeführt werden, während die zweite ein sehr ausführliches Baumuster verwendet, für das die Energieberechnungen viel länger dauern, aber viel genauer ist. Eine Recherche des großen Umfangs durch mögliche Zellen wird in der ersten Phase durchgeführt, und viel versprechende Einbauorte werden dann ausführlich in der zweiten Etappe erforscht.
Die erste Phase nutzt die Tatsache, dass alle Aminosäuren identische Kapitel haben, die die Aminosäurekette bilden. Der Computer fügt eine flockige Abbildung der hervorstehenden Seitenketten hinzu, die jedem Aminosäure seine eindeutige Identität geben. Die Reihenfolge von Seitenketten gibt jedem Protein schließlich seine charakteristische Form durch die Umgebung und Nachbarn, die sie bevorzugen.
Dann verdreht der Computer nach dem Zufall, schlingt und verbiegt jede Aminosäurereihenfolge in 100.000 verschiedene Formen, die auf dem bevorzugten Einbauort der Aminosäuren basieren. Etwas Aminosäuren neigen, in Richtung zur wässrigen Welt der Proteinoberfläche zu tauchen, während andere Abdeckung innerhalb des Proteins nehmen. Der Computer erklärt auch die Sozialgewohnheiten der 20 Aminosäuren; einige möchten nah sein miteinander und andere wie ihr Abstand.
In Stufe zwei, ersetzt Rosetta die flockige Abbildung der Seitenketten durch die ausführlichen, physikalisch realistischen Baumuster mit allen dargestellten Atomen. Von den Stellungen der Atome in den Seitenketten und in der Aminosäurekette, verwendet der Computer dann einen ausführliche physikalische Chemie basierten Kraftbereich, dem Bevorzugungen Verpackung von den Atomen und von Wasserstoff schließen, welche genauer zur Berechnung die Energie der Zelle kleben.
„, Was scheint, kritisch zu sein ist die Verpackung des Moleküls,“ sagte Baker. „Die Proteinsitze zusammen tadellos ohne Löcher in der Mitte und keine Atome oben auf einander. Sie wird ungefähr so dicht gepackt, wie sie sein könnte. Sie ist wie ein dreidimensionales Puzzle.“
Die Forscher upped ihre Chancen des Findens der rechten Abgleichung, indem sie den zweistufigen Prozess mit 50 Homologen der Proteine von anderen Genomen, wie einer Maus oder einer Fliege wiederholten. Das Protokoll wurde zuerst auf einer blinden jährlichen Vorhersagenprüfung geprüft, die betrachtet wurde, der höchste Standard für das Löschen von Vorspannung von den Proteinzellen-Vorhersagenbaumustern zu sein.
„Wir können die Energie nicht tadellos berechnen, aber das größte Problem ist die Recherche durch mögliche Formen,“ sagte Baker. „Wo wir nicht die richtige Antwort auf dem Computer erhielten, war es fast immer der Fall, dass die tatsächliche Zelle die niedrigste Energie hatte, also wir gefolgt haben würden, wenn wir hatten erforscht dieses Teil des Platzes.“