I globuli rossi sono incredibili. Prendono ossigeno dai nostri polmoni e lo trasportano in tutto il nostro corpo per mantenerci in vita. La molecola dell'emoglobina nei globuli rossi trasporta l'ossigeno cambiando la sua forma in modo del tutto o niente. Quattro copie della stessa proteina nell'emoglobina si aprono e si chiudono come petali di fiori, strutturalmente accoppiati per rispondere l'uno all'altro. Usando i supercomputer, gli scienziati stanno appena iniziando a progettare proteine ​​che si autoassemblano per combinarsi e assomigliare a molecole vitali come l'emoglobina. Gli scienziati affermano che i loro metodi potrebbero essere applicati a tecnologie utili come il targeting farmaceutico, raccolta di energia artificiale, sensori "intelligenti" e materiali da costruzione, e altro ancora.

Un team scientifico ha fatto questo lavoro sovralimentando le proteine, il che significa che hanno cambiato le subunità delle proteine, gli amminoacidi, per dare alle proteine ​​una carica positiva o negativa artificialmente alta. Utilizzando proteine ​​derivate da meduse, gli scienziati sono stati in grado di assemblare una complessa struttura di sedici proteine ​​composta da due ottameri impilati solo sovraccaricando, risultati che sono stati riportati nel gennaio del 2019 sulla rivista Chimica della natura .

Il team ha quindi utilizzato simulazioni al supercomputer per convalidare e informare questi risultati sperimentali. Le allocazioni di supercomputer su Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center (TACC) e Comet presso il San Diego Supercomputer Center (SDSC) sono state assegnate ai ricercatori tramite XSEDE, l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment finanziato dalla National Science Foundation (NSF).

"Abbiamo scoperto che assumendo proteine ​​che normalmente non interagiscono tra loro, possiamo fare copie che hanno una carica altamente positiva o altamente negativa, ", ha affermato la coautrice dello studio Anna Simon, un ricercatore post-dottorato presso l'Ellington Lab di UT Austin. "Combinando le copie altamente caricate positivamente e negativamente, possiamo far assemblare le proteine ​​in assemblaggi strutturati molto specifici, " ha detto Simon. Gli scienziati chiamano la loro strategia "assemblaggio proteico sovralimentato, ' dove guidano interazioni proteiche definite combinando varianti sovralimentate ingegnerizzate.

"Abbiamo sfruttato un principio molto noto e basilare della natura, che le cariche opposte si attraggono, " ha aggiunto il coautore dello studio Jens Glaser. Glaser è un assistente ricercatore nel gruppo Glotzer, Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università del Michigan. "Il gruppo di Anna Simon ha scoperto che quando mescolano queste varianti cariche di proteina fluorescente verde, ottengono strutture altamente ordinate. È stata una vera sorpresa, " disse Glaser.

La struttura a ottameri sovrapposti sembra un anello intrecciato. È composto da 16 proteine, due anelli intrecciati di otto che interagiscono in modo molto specifico, macchie discrete. "Il motivo per cui è così difficile progettare proteine ​​che interagiscono sinteticamente è che creare questi cerotti interagenti e averli tutti allineati in modo tale da consentire alle proteine ​​di assemblarsi in pezzi più grandi, strutture regolari è davvero difficile, " ha spiegato Simon. Hanno aggirato il problema aggiungendo molte cariche positive e negative per ingegnerizzare varianti della proteina fluorescente verde (GFP), una proteina "topo da laboratorio" ben studiata derivata dalla medusa Aequorea victoria.

La proteina carica positivamente, che chiamarono proteina fluorescente cerulea (Ceru) +32, ha avuto ulteriori opportunità di interagire con la proteina carica negativamente GFP-17. "Dando a queste proteine ​​tutte queste opportunità, questi diversi luoghi in cui potrebbero potenzialmente interagire, hanno potuto scegliere quelli giusti, " Simon ha detto. "C'erano alcuni schemi e interazioni che erano lì, a disposizione, ed energicamente favorito, che non avevamo necessariamente previsto in anticipo che avrebbe permesso loro di assemblarsi in queste forme specifiche".

Per ottenere le proteine ​​fluorescenti cariche ingegnerizzate, Simon e i coautori Arti Pothukuchy, Jimmy Gollihar, e Barrett Morrow codificarono i loro geni, compreso un tag chimico utilizzato per la purificazione su pezzi portatili di DNA chiamati plasmidi in E. coli, poi raccolto la proteina etichettata che è cresciuta E. coli. Gli scienziati hanno mescolato le proteine ​​insieme. Inizialmente pensavano che le proteine ​​potessero semplicemente interagire per formare grandi, ciuffi strutturati in modo irregolare. "Ma allora, quello che continuavamo a vedere era questo strano, picco divertente intorno ai 12 nanometri, era molto più piccolo di un grosso ciuffo di proteine, ma significativamente più grande della singola proteina, " disse Simone.

Hanno misurato la dimensione delle particelle che si sono formate utilizzando uno strumento Zetasizer presso il Texas Materials Institute di UT Austin, e verificato che le particelle contenevano sia proteine ​​cerulee che proteine ​​GFP Förster Resonance Energy Transfer (FRET), che misura il trasferimento di energia tra diverse proteine ​​fluorescenti colorate producono fluorescenza in risposta a diverse energie di luce per vedere se sono vicine tra loro. La microscopia elettronica a colorazione negativa ha identificato la struttura specifica delle particelle, condotto dal gruppo di David Taylor, assistente professore di bioscienze molecolari all'UT Austin. Ha mostrato che la particella da 12 nm consisteva in un ottamero impilato composto da sedici proteine. "Abbiamo scoperto che erano queste strutture simili a fiori dalla forma meravigliosa, " ha detto Simon. Il coautore Yi Zhou del gruppo di Taylor di UT Austin ha aumentato ulteriormente la risoluzione utilizzando la microscopia crioelettronica per rivelare dettagli a livello atomico dell'ottamero impilato.

La modellazione computazionale ha affinato le misurazioni di come le proteine ​​sono state disposte in un'immagine chiara del bello, struttura simile a un fiore, secondo Jens Glaser. "Dovevamo trovare un modello abbastanza complesso da descrivere la fisica delle proteine ​​fluorescenti verdi cariche e presentare tutti i dettagli atomistici rilevanti, eppure era abbastanza efficiente da permetterci di simularlo su una scala temporale realistica. Con un modello completamente atomistico, ci sarebbe voluto più di un anno per ottenere una singola simulazione dal computer, per quanto veloce fosse il computer, " disse Glaser.

Hanno semplificato il modello riducendo la risoluzione senza sacrificare dettagli importanti delle interazioni tra le proteine. "Ecco perché abbiamo usato un modello in cui la forma della proteina è rappresentata esattamente da una superficie molecolare, proprio come quello che viene misurato dalla struttura cristallografica della proteina, " ha aggiunto Glaser.

"Ciò che ci ha davvero aiutato a ribaltare la situazione e a migliorare ciò che siamo stati in grado di ottenere dalle nostre simulazioni sono stati i dati crio-EM, " disse Vyas Ramasubramani, uno studente laureato in ingegneria chimica presso l'Università del Michigan. "Questo è ciò che ci ha davvero aiutato a trovare la configurazione ottimale da inserire in queste simulazioni, che poi ci ha aiutato a convalidare gli argomenti di stabilità che stavamo facendo, e speriamo che andando avanti facciamo previsioni sui modi in cui possiamo destabilizzare o modificare questa struttura, " ha detto Ramasubramani.

Gli scienziati hanno richiesto molta potenza di calcolo per eseguire i calcoli sulla scala che desideravano.

"Abbiamo usato XSEDE per prendere praticamente questi enormi sistemi, dove hai molti pezzi diversi che interagiscono tra loro, e calcola tutto questo in una volta in modo che quando inizi a far avanzare il tuo sistema attraverso una parvenza di tempo, potresti avere un'idea di come si sarebbe evoluto su scale temporali alquanto reali, " ha detto Ramasubramani. "Se provassi a fare lo stesso tipo di simulazione che abbiamo fatto su un laptop, ci sarebbero voluti mesi se non anni per avvicinarsi veramente alla comprensione se una sorta di struttura sarebbe stata stabile o meno. Per noi, non essere in grado di utilizzare XSEDE, dove potresti usare essenzialmente 48 core, 48 unità di calcolo tutte in una volta per rendere questi calcoli altamente paralleli, avremmo fatto tutto molto più lentamente".

Il supercomputer Stampede2 al TACC contiene 4, 200 Intel Knights Landing e 1, 736 nodi di calcolo Intel Skylake X. Ogni nodo Skylake ha 48 core, l'unità base del processore di un computer. "I nodi Skylake del supercomputer Stampede2 sono stati fondamentali per ottenere le prestazioni necessarie per calcolare queste interazioni elettrostatiche che agiscono in modo efficiente tra le proteine ​​con carica opposta, " Glaser said. "The availability of the Stampede2 supercomputer was at just the right point in time for us to perform these simulations."

Inizialmente, the science team tested their simulations on the Comet system at the SDSC. "When we were first figuring out what kind of model to use and whether this simplified model would give us reasonable results, Comet was a great place to try these simulations, " Ramasubramani said. "Comet was a great testbed for what we were doing."

Looking at the bigger scientific picture, the scientists hope that this work advances understanding of why so many proteins in nature will oligomerize, or join together to form more complex and interesting structures.

"We showed that there doesn't need to be a very specific, pre-distinguished set of plans and interactions for these structures to form, " Simon said. "This is important because it means that maybe, and quite likely we can take other sets of molecules that we want to make oligomerize and generate both positively charged and negatively charged variants, combine them, and have specifically ordered structures for them."

Natural biomaterials like bone, feathers, and shells can be tough yet lightweight. "We think supercharged protein assembly is an easier way to develop the kind of materials that have exciting synthetic properties without having to spend so much time or having to know exactly how they're going to come together beforehand, " Simon said. "We think that will accelerate the ability to engineer synthetic materials and for discovery and exploration of these nanostructured protein materials."

Lo studio, "Supercharging Enables Organized Assembly of Synthetic Biomolecules, " was published in the journal Chimica della natura in January of 2019.