Superkomputer Anton zbada trójwymiarową strukturę białek

Współczesna medycyna zaszła już dość daleko i bez pomocy najnowocześniejszych komputerów ani rusz. Od czasu do czasu trafia się problem, do rozwiązania którego potrzebny jest nie zwykły komputer, ale superkomputer. Takim właśnie jest Anton, który otrzymał zadanie badania zmian w trójwymiarowej strukturze białek. Zmiany te zachodzą w ciągu milisekundy.

Poprzednie badania były stukrotnie wolniejsze. Zacznę jednak od początku, czyli od tego, po co właściwie badać te zmiany. Białka to ciągi aminokwasów, które fałdują się w struktury przestrzenne. Przybrany kształt ma kolosalne znacznie dla ich funkcji. Zrozumienie, jak i dlaczego białka przybierają specyficzny kształt, jest od dawna celem biologów strukturalnych. Niestety, poprzednie symulacje komputerowe trwały zbyt krótko, aby w pełni wymodelować ten proces. Większość nakierowana była na proste przewidywanie końcowego produktu - ostatecznej struktury białkowej (na bazie sekwencji aminokwasów).

Symulacja Antona idzie dalej - dzięki zaprzęgnięciu do działania superkomputera będzie można przyjrzeć się dynamicznemu tworzeniu białek - jak się fałdują, rozprostowują, skręcają i zwijają. Jeden z badaczy, David Eliezer z Weill Cornell Medical College w Nowym Jorku, powiedział:

Dominowało przekonanie, że sfałdowana struktura białka jest statyczna jak skała, ale to nieprawda. Jest bardzo mobilna. Rośnie i przekształca się pomiędzy konformacjami.

Anton - nazwany na cześć XVII-wiecznego biologa, Antoniego van Leeuwenhoeka - powstał w D.E. Shaw Research (Nowy Jork). Tu ciekawa historia: D.E Shaw był profesorem Columbia University, ale miał dość rywalizowania z innymi i w 1986 roku opuścił szkołę. A potem - jak w bajce - dorobił się majątku na Wall Street i w 2001 r. otworzył własny instytut, nie oglądając się na rząd czy dotacje federalne. Wracając do tematu: Anton jest superkomputerem przystosowanym do jednego zadania - modelowania interakcji cząsteczka-cząsteczka.

Symulacje superkomputera oparte są na fizycznych modelach sił zachodzących pomiędzy atomami białek i przynależnych im molekułach wody. Komputer dzieli czas na bardzo małe odcinki wielkości femtosekund (femtosekudna - jedna BILIARDOWA sekundy) i określa, jak atomy będą się poruszały w danym odcinku czasu, obliczając siły między wszystkimi ich parami w systemie.

Antona przetestowano - zespół wybrał dwa od dawna badane eksperymentalnie białka: jedno jest istotnym fragmentem białka zwanym domeną WW, drugi to inhibitor trypsyny trzustkowej. Symulacja wykazała, jak białka te zwijały się, rozwijały i zwijały powtórnie. Zgodność z eksperymentalnymi danymi była zdumiewająca.

Zrozumienie ruchów białek może być krytyczne dla rozpoznania podstawowych procesów komórkowych i dla tworzenia leków wspomagających konformację określonych białek. Białka rozwijają się, kiedy ulegają degradacji lub kiedy są przygotowywane do transportu przez błonę komórkową. Białka, które nie zwijają się prawidłowo, mogą powodować poważne choroby, jak Alzheimer i mukowiscydoza.