Quasi una dozzina di scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory stanno collaborando con ricercatori medici e sfruttando i più grandi strumenti scientifici dell'ORNL per risolvere una grande sfida della biologia moderna:svelare i segreti delle proteine ​​disordinate. Si ritiene che queste molecole flessibili costituiscano la metà delle proteine ​​del corpo umano, ma sono poco comprese perché non abbiamo trovato un modo per studiare adeguatamente le loro proprietà.

È solo nell'ultimo decennio che gli scienziati sono giunti ad accettare che da un terzo a metà delle proteine ​​umane non seguono la regola un tempo sacra della biologia molecolare:le proteine ​​si ripiegano in forme stabili, forme tridimensionali. Anziché, proteine ​​disordinate sono costantemente in bicicletta tra diverse forme. Sono essenziali per i circuiti cellulari, e il loro cattivo funzionamento è direttamente implicato in malattie come il cancro, Alzheimer, condizioni cardiovascolari, e diabete. Comprendere la loro natura complessa potrebbe portare a importanti scoperte di nuovi farmaci.

In un progetto di ricerca condotto in laboratorio lanciato quest'anno, Gli scienziati dell'ORNL stanno combinando sperimentazione e simulazione nel tentativo di chiarire il funzionamento interno di queste proteine. Il progetto include collaboratori del Frederick National Laboratory for Cancer Research, sponsorizzato dal National Cancer Institute come parte del National Institutes of Health (NIH).

I movimenti interni delle proteine ​​disordinate le rendono particolarmente difficili da caratterizzare, ha osservato Arvind Ramanathan della Computational Science and Engineering Division e dell'Health Data Sciences Institute dell'ORNL. Le proteine ​​sfidano gli strumenti standard per la caratterizzazione come la cristallografia a raggi X perché resistono alla cristallizzazione.

"È come scattare foto 2-D di qualcuno da diversi orientamenti e improvvisamente ti viene chiesto di fare un rendering 3-D di quella persona, " disse Ramanathan.

"Ora immagina se quella persona sta saltando. Avrai molte caratteristiche strane in quel rendering e alcune parti di esso potrebbero persino svanire, ", ha affermato il ricercatore principale Hugh O'Neill della Neutron Scattering Division.

I ricercatori utilizzeranno lo scattering di neutroni presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL e le immagini di microscopia crioelettronica (cryo-EM) del Frederick National Laboratory per fornire una buona stima di come appaiono le particelle in termini di forma e dimensione complessive, e fornire punti di riferimento per un modello 3D.

"Siamo entusiasti di vedere sempre più laboratori sfruttare la nostra struttura di crio-EM condivisa, " ha detto Ethan Dmitrovsky, M.D., presidente della Leidos Biomedical Research, Inc. e direttore del laboratorio del Frederick National Laboratory. "Questo particolare progetto ha un potenziale speciale per una nuova area di ricerca che potrebbe alleviare la sofferenza dei pazienti con cancro e altre malattie".

I neutroni sono sensibili all'idrogeno, non distruttivo, e permettono di studiare le proteine ​​in tempo reale, in condizioni reali. Il metodo cryo-EM effettuato a Frederick immagini congelate, campioni idratati, consentendo la risoluzione molecolare senza la necessità di coloranti o fissativi. I ricercatori si occuperanno in modo specifico della proteina neurofibromatosi di tipo 1 e delle sue interazioni con i partner di legame. Le mutazioni in NF1 sono note per causare neurofibromatosi e sono state implicate nel cancro.

I dati passeranno attraverso un processo di ricostruzione guidata da algoritmi per eliminare il "rumore" nelle immagini. Quindi il modello risultante verrà utilizzato in simulazioni al computer assistite dall'apprendimento automatico per esplorare determinate regioni delle proteine ​​e ottenere una migliore comprensione dell'orientamento delle particelle.

Combinando crio-EM, dispersione a piccolo angolo, e il calcolo consentirà di generare modelli atomistici per raggiungere una risoluzione sub-nanometrica per queste proteine.

"Fondamentalmente, gli sperimentali si occuperanno della diffusione a piccoli angoli, il lavoro di cristallografia e la crio-EM. Quindi gli scienziati informatici prenderanno tutti questi disparati dati sperimentali e li metteranno insieme per darci un'immagine di come appare la proteina, " ha detto O'Neill.

Il progetto coinvolge scienziati di tre direzioni dell'ORNL:Neutron Sciences, Informatica e scienze computazionali, e Scienze dell'Energia e dell'Ambiente.

"Il calcolo lega tutto insieme. Questo diventerà, Penso, molto comune nella biologia strutturale:questa idea di integrare diverse modalità sperimentali che sono legate insieme dal calcolo, " ha aggiunto Ramanathan.

Infatti, gli scienziati si aspettano che il lavoro computazionale sarà tra i primi progetti a utilizzare Summit, dovrebbe essere online quest'anno come il più intelligente del mondo, supercomputer open source per applicazioni di intelligenza artificiale presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) del DOE presso l'ORNL.

"Questo lavoro è un meraviglioso esempio di come possiamo combinare più strutture per gli utenti scientifici, in questo caso, l'OLCF, la [DOE] Spallation Neutron Source, e la National Cryo-Electron Microscopy Facility del Frederick National Laboratory presso il Frederick National Laboratory per far avanzare le missioni DOE e NIH, " ha detto Paolo Gilna, direttore della biosicurezza e delle iniziative biomediche presso l'ORNL.

La ricerca ha applicazioni non solo per il lavoro dell'ORNL nello spazio biomedico, ma è anche pertinente al suo lavoro sulla bioenergia e sulla tossicità del mercurio, aree rilevanti per il programma di ricerca biologica e ambientale del DOE. La ricerca potrebbe, ad esempio, aiutare gli scienziati a progettare microbi che sono più bravi a digerire e convertire le piante di materie prime in biocarburanti.