(PhysOrg.com) -- Un elemento chiave sia della biotecnologia che della nanotecnologia è, forse non sorprendentemente, la modellazione computazionale. frequentemente, in silicone la progettazione e la simulazione di nanostrutture precede la sperimentazione vera e propria. Inoltre, la capacità di utilizzare la modellazione per prevedere la struttura biomolecolare pone le basi per la successiva progettazione di biomolecole. Storicamente, il problema è stato che la maggior parte dei software di modellazione presenta un compromesso tra l'essere di uso generale (essere in grado di modellare sistemi ad alta risoluzione/atomica) ma di portata limitata (cioè, esplora solo una piccola frazione dello spazio conformazionale attorno alla struttura iniziale). Recentemente, però, Gli scienziati della Stanford University hanno sviluppato un algoritmo – implementato in un programma di modellazione noto come MOSAICS (Methodologies for Optimization and Sampling In Computational Studies) – che realizza la modellazione su nanoscala alla risoluzione richiesta senza essere limitato dal dilemma ambito/dimensione. Inoltre, i ricercatori hanno modellato e confrontato con successo la nuova tecnica di modellazione computazionale con nanostrutture a base di RNA.

Il gruppo di ricerca – Adelene Y. L. Sim nel Dipartimento di Fisica Applicata, e il Prof. Michael Levitt e il Dr. Peter Minary nel Dipartimento di Biologia Strutturale - hanno affrontato una serie di sfide nell'elaborazione del loro algoritmo unico. Parlando con PhysOrg , Minary e Sim descrivono queste sfide. “La riduzione della dimensionalità può eliminare percorsi fisicamente rilevanti che collegano i bacini conformazionali e quindi introdurre barriere energetiche artificiali che non presentano ostacoli nello spazio cartesiano, "Minary racconta PhysOrg . “Nel caso in esame, la sfida principale è stata quella di sviluppare un algoritmo che supporti i gradi di libertà che rappresentano riarrangiamenti collettivi arbitrari a risoluzione di tutti gli atomi.

Sfortunatamente, note minerarie, usando questi gradi di libertà, o DOF, potrebbe interrompere la connettività della catena e il corrispondente spazio conformazionale è probabilmente associato a una topologia di superficie energetica estremamente ruvida. “Per superare questi limiti, " Aggiunge, "Riarrangiamenti meno collettivi devono essere utilizzati solo nella misura necessaria in modo che i riarrangiamenti lungo i DOF più collettivi siano facilitati in modo ottimale senza aumentare significativamente il volume dello spazio conformazionale campionato". In breve, la loro sfida principale consisteva nell'implementare un algoritmo universale in grado di esplorare lo spazio conformazionale consentendo al contempo numerosi insiemi di cosiddetti DOF naturali arbitrari e/o definiti dall'utente.

Il team ha affrontato questi problemi, Minario dice, basandosi sull'ambiente di calcolo di alto livello preesistente del pacchetto software MOSAICS che ha consentito l'uso di DOF arbitrari di interruzione della catena. “Per migliorare ulteriormente questo concetto, " Aggiunge, “È stato necessario inventare una nuova interfaccia molto flessibile che accolga gli utenti per definire i propri DOF specifici del sistema. Inoltre, l'interfaccia doveva anche supportare la sovrapposizione ponderata di DOF arbitrari. Infine, era necessario implementare un algoritmo universale che realizzasse l'interazione di vari insiemi di DOF. Facendo così, i percorsi conformazionali lungo i riarrangiamenti molecolari più collettivi sono aumentati dall'incorporazione di flessibilità molecolare progressivamente più dettagliata senza alterare significativamente il problema della dimensionalità, che è meglio quantificato dal volume conformazionale da campionare piuttosto che dal numero effettivo di DOF.

In cantiere anche altre novità. “Nel documento attuale abbiamo mostrato che il nostro algoritmo soddisfa alcune condizioni necessarie dello spazio delle fasi, o saldo dettagliato, preservare il campionamento non soddisfatto da nessuno degli algoritmi disponibili utilizzati per modellare i sistemi di RNA, "Note minerarie. "Ulteriori sforzi sono investiti per soddisfare pienamente la reversibilità microscopica". Inoltre, l'efficienza computazionale può essere migliorata utilizzando informazioni sulla natura collettiva dei DOF durante l'aggiornamento delle interazioni atomiche, oppure definendo forme funzionali energetiche in termini di coordinate analitiche a bassa dimensionalità. Minary sottolinea che l'efficienza del campionamento potrebbe anche essere migliorata se l'approccio attuale è combinato con alcuni algoritmi di campionamento avanzati basati sul campionamento multi-canonico disponibili in MOSAICS.

Inoltre, lui continua, il movimento dell'acqua esplicita potrebbe essere incorporato nelle mosse gerarchiche in modo che gli effetti della solvatazione possano essere valutati più accuratamente - e anche testare il metodo con varie rappresentazioni implicite del solvente può essere informativo. "Finalmente, " lui dice, "stiamo pianificando di introdurre un'interfaccia più user friendly, possibilmente grafica, che colmerebbe il divario tra gli sviluppatori di algoritmi e i biologi computazionali, fisici e chimici che hanno grandi intuizioni e intuizioni sui DOF naturali di vari assemblaggi e complessi molecolari. Del tutto, tutti gli sforzi di cui sopra, che aumenterebbe il rigore matematico, velocità di calcolo, dettagli solventi e accessibilità agli utenti, potrebbe estendere ulteriormente i confini delle applicazioni oltre gli attuali sistemi considerati.

Intanto, sviluppando tutti gli algoritmi necessari discussi sopra, il team prevede di continuare ad ampliare la gamma di applicazioni target. “Oltre a modellare la struttura della cromatina, ” Minario illustra, "vorremmo rivisitare le domande nella nanotecnologia del DNA". Per di più, l'uso di un metodo di raffinamento diverso da Cryo-EM (Cryo-Electron Microscopy, una forma di microscopia elettronica a trasmissione in cui i campioni vengono studiati a temperature criogeniche, e che il team sta già perseguendo).

“Intendiamo estendere il nostro lavoro per esplorare ampiamente la flessibilità della giunzione dell'RNA, ” aggiunge Sim, "e stiamo anche esaminando l'uso della nostra tecnica nella previsione della struttura dell'RNA di grandi sistemi di RNA". In termini di applicazioni, Sim continua, “in medicina è fondamentale capire la flessibilità, stabilità, forma e possibili distorsioni delle nanostrutture per valutare meglio la qualità delle nanostrutture. Queste proprietà potrebbero svolgere ruoli cruciali nel dettare l'internalizzazione cellulare e/o la tossicità delle nanostrutture”.

Sim sottolinea che con il loro efficiente strumento di modellazione, sebbene ancora dipendente dalla qualità del campo di forza utilizzato, il team è ora più in grado di studiare queste proprietà in silicone . “Inoltre, "Note di Sim, "Stiamo esaminando l'ottimizzazione nello spazio sequenza e struttura simultaneamente avendo la sequenza come un ulteriore grado di libertà". Una possibile applicazione è la progettazione di sequenze di silenziamento dell'RNA, o siRNA.

Guardando più lontano, Il minario racconta PhysOrg , ci sono altre tecnologie e applicazioni che potrebbero trarre vantaggio dai loro risultati. “Dal momento che un corretto campionamento ed esplorazione dello spazio conformazionale è uno strumento di base utilizzato in varie tecnologie e applicazioni, il metodo potrebbe essere utilizzato nella progettazione, modellazione dell'omologia e varie nuove applicazioni come la modellazione di riarrangiamenti collettivi nelle proteine ​​trans-membrana, progettare nuove nanostrutture di acidi nucleici, modellazione di grandi complessi proteina-acido nucleico, tale il ribosoma, e il in silicone studio del rimodellamento della cromatina. Inoltre, " Aggiunge, "vorremmo aiutare il perfezionamento e l'interpretazione delle tecniche sperimentali." Nello specifico, basandosi sui precedenti sforzi per perfezionare i dati Cryo-EM, vorrebbero sviluppare strumenti per analizzare NMR, FRET, SAX, Raggi X, e esperimenti di footprinting al fine di generare insiemi conformazionali che soddisfino i vincoli sperimentali.

Finalmente, Minary sottolinea che l'algoritmo che hanno sviluppato è di natura molto generale e potrebbe essere utilizzato anche in altre discipline che coinvolgono spazi di stato con un gran numero di variabili che cambiano in modo correlato. "In particolare, "conclude, “l'idea di base potrebbe essere utilizzata ma non limitata al campionamento dello spazio di possibili reti, come nelle applicazioni di biologia dei sistemi, o variabili del mercato azionario”.

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