Le proteine ​​sono gli elementi costitutivi della vita e degli agenti biologici. Sono motori della crescita e dello sviluppo e della diffusione di virus e batteri, e hanno ruoli chiave nei percorsi della malattia e praticamente in tutte le funzioni cellulari. Man mano che gli scienziati acquisiscono conoscenze sulle proteine, vengono svelati i meccanismi alla base dei misteri biologici.

Per aiutare a far luce sul funzionamento delle proteine, Lukasz Kurgan, ricercatore della Virginia Commonwealth University, dottorato di ricerca, vicepresidente del Dipartimento di Informatica della Facoltà di Ingegneria, ha sviluppato una serie di programmi di bioinformatica per assistere i biologi nello sviluppo di conoscenze sulle funzioni delle proteine ​​intrinsecamente disordinate. Questo gruppo di proteine ​​manca di una struttura fissa, il che significa che sono totalmente o parzialmente flessibili e amorfi.

Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno sequenziato 85 milioni di proteine ​​uniche, strutturato e non strutturato allo stesso modo, ma ancora non so cosa faccia la stragrande maggioranza di queste proteine. Man mano che vengono scoperte più proteine, programmi informatici più sofisticati devono essere sviluppati per aiutare a determinare le loro funzioni.

"Abbiamo curato manualmente ma comprendiamo meno dell'1% di queste proteine, e in questo momento ci sono oltre 80 milioni da risolvere, "disse Kurgan, un professore e scienziato di dati dotato di Qimonda. "Un programma può risolvere queste proteine ​​più velocemente di un singolo essere umano e può aiutare i ricercatori ad accelerare la generazione di ipotesi".

Risolvere il puzzle

Determinare la funzione di una proteina diventa ancora più difficile quando una proteina è completamente o parzialmente disordinata. Quando una proteina ha una struttura definita, i ricercatori utilizzano conoscenze pregresse e programmi di bioinformatica per prima decifrare quella struttura, che poi aiuta a determinare la funzione. Se la proteina è disordinata, i biologi si rivolgono a programmi costruiti da Kurgan e altri scienziati informatici che utilizzano modelli predittivi per generare ipotesi praticabili sulla funzione della proteina.

Dal 2008, Kurgan ha sviluppato quattro programmi per questo scopo. Questa primavera, la sua squadra ha ricevuto $ 500, 000 sovvenzione dalla National Science Foundation per sviluppare programmi successivi. Finora, I programmi di Kurgan ne hanno più di 7, 000 utenti da più di 1, 300 città in 96 paesi.

Kurgan ha anche sviluppato sei programmi che determinano se una proteina è disordinata o meno. Nel 2012, il suo programma MFDp si è classificato terzo su 28 partecipanti all'esperimento CASP10 biennale in tutto il mondo, che valuta l'efficacia dei predittori informatici e umani del disturbo intrinseco. Nel 2014, Il laboratorio di Kurgan ha rilasciato DisoRDPbind, il primo programma per predire funzioni multiple di proteine ​​intrinsecamente disordinate.

I programmi di Kurgan utilizzano raccolte esistenti di dati sulle proteine ​​le cui funzioni sono state determinate per costruire modelli predittivi per mappare le funzioni di proteine ​​sconosciute intrinsecamente disordinate.

"I dettagli non sono facili. Costruire questi modelli richiede un po' di arte, teoria ed esperienza, " ha detto Kurgan.

Nuove idee per il disordine

È un fatto comunemente accettato tra gli scienziati che le proteine ​​disordinate, simili alle loro controparti strutturate, hanno funzioni essenziali. Questa affermazione è stata inizialmente accolta con incredulità, come è inizialmente comune a molte scoperte scientifiche.

"Circa 30 anni fa, quando furono scoperte proteine ​​disordinate, c'erano molti negazionisti. Alcune persone hanno detto che questo è solo rumore nelle strutture proteiche, " disse Kurgan. "Ora, il disordine come meccanismo della biologia è un fatto accettato. Solo perché una proteina non ha una struttura definita, non significa che sia inutile. Funziona solo in un modo diverso."

Ora, decifrare il disturbo è uno sforzo collaborativo nella comunità scientifica, e vari programmi di più entità si uniscono per fornire approcci diversi per determinare le funzioni delle proteine ​​​​disordinate. Kurgan ha lavorato con ricercatori della University of South Florida, Università dell'Indiana, e le università di Tianjin e Nankai in Cina, su uno studio che ha utilizzato i suoi programmi per scoprire l'incidenza del disturbo intrinseco vicino a 1, 000 specie di tutti i regni della vita. Diversi altri studi collaborativi si sono concentrati sui ruoli funzionali del disturbo intrinseco nell'HIV, Virus dell'epatite C e della Dengue.

"Collettivamente possiamo spingere i confini di ciò che viene fatto, " Kurgan ha detto. "Non si basa sugli sforzi di uno specifico ricercatore o gruppo. Collettivamente ci aiutiamo a vicenda".