Alcuni dei processi più essenziali sul pianeta coinvolgono l'acqua e l'energia che entrano ed escono dalle cellule.

I portieri cellulari responsabili di questo accesso sono noti come acquaporine e trasportatori di glucosio, due famiglie di proteine ​​che facilitano il flusso rapido e tuttavia selettivo dell'acqua, glucosio e altre piccole sostanze attraverso le membrane biologiche.

Le acquaporine sono presenti in tutti i regni della vita, dimostrando il loro ruolo centrale nel mantenimento della salute di tutti gli organismi. La prima acquaporina è stata scoperta nel 1992, guadagnandosi il suo scopritore, Pietro Agré, il Premio Nobel per la Chimica nel 2003. Da allora, sono state identificate più di 450 acquaporine individuali.

Gli esperimenti basati su computer, in particolare le simulazioni di dinamica molecolare (MD), si sono dimostrati importanti nel determinare come i materiali permeano attraverso le proteine ​​del canale a livello molecolare.

Secondo Liao Chen, le descrizioni dei libri di testo dei trasportatori del glucosio hanno sottovalutato la complessità del funzionamento di queste proteine. Gli esperimenti e la cristallografia a raggi X possono catturare solo così tanti dettagli, e le simulazioni al computer sono state limitate nella loro capacità di modellare sistemi su larga scala che includono le complessità della membrana coinvolte nel gating, e altri fattori.

Chen ha studiato questo problema utilizzando i supercomputer presso il Texas Advanced Computing Center (TACC) per più di un decennio, con crescente precisione e complessità.

"Come fisico teorico, Credo fermamente in ciò che ha detto Richard Feynman:che tutto ciò che fanno gli esseri viventi può essere compreso in termini di oscillazioni e oscillazioni degli atomi, " Ha detto Chen. "Abbiamo cercato di costruire un ponte dal tremolio e il dimenarsi di milioni di atomi al comportamento deterministico molto semplice dei sistemi biologici".

Dal 2019, ha applicato il potere di modellazione di Frontera, uno dei supercomputer più potenti al mondo, per studiare come le acquaporine e i trasportatori di glucosio nei globuli rossi umani muovono l'acqua e il glucosio dentro e fuori la cellula.

"Stiamo costruendo modelli di proteine ​​di membrana da atomi compreso il loro ambiente immediato nella membrana, " Chen ha detto. "La membrana è composta da lipidi e le foglioline interne ed esterne sono asimmetriche. Qualitativamente, capiamo come si muovono acqua e glucosio, ma nessuno ha modellato correttamente la membrana per l'accuratezza quantitativa che è una norma in altri rami della fisica. Ci stiamo muovendo in quella direzione".

La ricerca di Chen ha trovato differenze significative tra i risultati prodotti da modelli semplici e quelli più realistici che usa.

"Con Frontera, siamo stati in grado di avvicinarci alla realtà e raggiungere un accordo quantitativo tra esperimenti e simulazioni al computer, " Egli ha detto.

Al di là della funzione biologica di base delle acquaporine e dei trasportatori di glucosio, queste proteine ​​sono implicate in malattie come la sindrome di de Vivo, un disturbo neurologico, e molteplici forme di cancro. Ad aprile 2020, Chen ha pubblicato un articolo in Frontiere in Fisica applicando la ricerca a un parassita patogeno che è un utile analogo del virus che causa la malaria negli esseri umani. I ricercatori stanno anche studiando la manipolazione di queste proteine ​​come trattamento per alcuni tipi di cancro, limitando la disponibilità dei nutrienti necessari per fermare la crescita dei tumori.

Il movimento dell'acqua dentro e fuori le cellule coinvolge il più semplice dei trasportatori di membrana. Però, i trasportatori del glucosio che conducono il glucosio, che fornisce l'energia necessaria a tutte le cellule, attraverso le membrane cellulari sono più complicati.

"Il meccanismo di trasporto del glucosio è controverso, ma credo che ora siamo molto vicini alla risposta, " disse Chen.

È stato a lungo ipotizzato che i trasportatori del glucosio obbedissero alla teoria dell'accesso alternato come molte altre proteine ​​nella superfamiglia dei principali facilitatori. Le proteine ​​di questa superfamiglia hanno due gruppi di eliche transmembrana che si ipotizza oscillano l'una rispetto all'altra. In quel modo, la proteina può essere aperta sul lato extracellulare per consentire l'ingresso di uno zucchero nella proteina. Quindi i due gruppi oscillano in modo che la proteina si apra sul lato intracellulare permettendo allo zucchero di lasciare la proteina ed entrare nel citoplasma. La proteina continua ad alternare conformazioni aperte verso l'esterno e aperte verso l'interno per traghettare l'energia necessaria al metabolismo cellulare.

Però, i trasportatori del glucosio sono distinti dagli altri membri di questa enorme superfamiglia di proteine ​​trasportatrici. A differenza degli altri membri che sono trasportatori attivi con forniture di energia a loro disposizione, i trasportatori del glucosio sono facilitatori passivi; non hanno una fornitura di energia per consentire loro di operare. Chen credeva che i trasportatori del glucosio potessero non obbedire alla teoria dell'accesso alternato e iniziò a esaminare molto da vicino i trasportatori del glucosio 1 e 3.

"I nostri studi indicano che una volta inserito questo semplice trasportatore nelle cellule, se usi una membrana asimmetrica, il trasportatore non deve passare attraverso un meccanismo di accesso alternato, " Ha detto Chen. "In realtà ha un cancello sul lato extracellulare che oscilla tra l'essere aperto e chiuso in base alla temperatura corporea. Quindi questo è un esempio di diversità nel meccanismo delle proteine ​​trasportatrici".

Chen ha pubblicato finora due articoli su questo argomento specifico. Scrivendo in ACS chimica. Neuroscienza , il suo team ha fornito uno studio quantitativo sul trasportatore del glucosio 3, che è comune nel sistema nervoso centrale e quindi chiamato trasportatore neuronale del glucosio. In un documento più recente in Comunicazioni di ricerca biochimica e biofisica , hanno suggerito la nuova possibilità per il funzionamento dei trasportatori di glucosio.

Il team di Chen esegue anche esperimenti di laboratorio per vedere il comportamento generale delle cellule, e per ottenere una verità di base con cui confrontare i suoi modelli. Ma i supercomputer sono necessari per arrivare ai dettagli meccanicistici specifici.

Ad aprile 2020, Chen è stato premiato con 200, 000 ore nodo su Frontera per modellare i canali proteici in modo più dettagliato.

"Su Frontera, ogni core è più veloce e il sistema è enorme, così possiamo modellare sistemi più grandi molto più velocemente, " ha detto. "Sistemi più grandi sono un must. Quando si ha a che fare con piccoli impianti, non sei vicino alla realtà."