Stampede2 dan sistem Comet menyelesaikan simulasi yang berkaitan dengan coronavirus, replikasi DNA – Sains Terkini

Penelitian mendasar yang didukung oleh superkomputer dapat membantu mengarah pada strategi baru dan teknologi yang lebih baik yang memerangi penyakit menular dan genetik.

Virus seperti coronavirus 2 sindrom pernapasan akut yang sangat ditakuti mengandalkan membran sel inang untuk membengkokkan secara drastis dan akhirnya melepaskan virus yang direplikasi yang terperangkap di dalam sel. Para ilmuwan telah menggunakan simulasi superkomputer untuk membantu mengusulkan mekanisme untuk virus pemula ini. Terlebih lagi, studi terkait juga menggunakan simulasi untuk menemukan mekanisme bagaimana DNA dari semua kehidupan menambahkan basis pada untaian yang tumbuh selama replikasi ..

Studi tentang remodeling membran sel, penting untuk reproduksi virus, pertumbuhan dan komunikasi sel, dan proses biologis lainnya dipublikasikan secara online di Jurnal Biofisika pada bulan Februari 2020. Rekan penulis penelitian ini Qiang Cui juga merupakan bagian dari studi tentang penambahan basis DNA, yang diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences, Desember 2019. Qiang Cui adalah seorang profesor di Departemen Kimia, Fisika, dan Teknik Biomedis, Universitas Boston.

Cui juga peneliti utama pada kedua studi untuk waktu superkomputer yang diberikan melalui XSEDE, Ilmu Pengetahuan Ekstrim dan Lingkungan Penemuan Teknik yang didanai oleh National Science Foundation. "Superkomputer dengan paralelisasi masif sangat diperlukan untuk mendorong batas simulasi bimolekul," kata Cui.

Tim sainsnya mengembangkan simulasi superkomputer dari membran sel, khususnya filamen protein Vps32, komponen utama dari penyortiran endosom yang diperlukan untuk kompleks transportasi (ESCRT-III), yang merupakan tersangka utama untuk tenaga penggerak yang menyebabkan membran sel untuk membentuk tunas dalam proses yang disebut invaginasi membran. Protein ESCRT berfungsi dalam sitosol, cairan di dalam sel yang mengelilingi organel, subunit sel. Mereka melakukan berbagai pekerjaan seperti membuat organel; menyortir bahan yang dapat didaur ulang dalam sel dan mengeluarkan limbah, dan banyak lagi.

Mikroskop elektron menunjukkan protein Vps32 mempolimerisasi, atau merakit sendiri menjadi bentuk pembuka botol selama invaginasi membran. Para penulis penelitian berusaha untuk menentukan apakah kekuatan atom di dalam Vps32 menyebabkannya menekuk dan memelintir, akhirnya menarik dan menumbuhkan membran. Sayangnya, penelitian eksperimental saat ini tidak memiliki resolusi untuk mengkarakterisasi interaksi protein-membran yang mengarah pada deformasi membran.

Tim sains menggunakan simulasi dinamika molekul molekuler untuk menyelidiki antarmuka protein-protein dalam struktur filamen satu dimensi dalam larutan dan juga untuk menemukan residu yang menyatukan filamen. Mereka juga mempelajari antarmuka protein-membran menggunakan model trimer Vps32.

"Saya pikir pengamatan yang paling menarik adalah bahwa polimer ESCRTIII yang kami pelajari memiliki sentuhan intrinsik yang jelas," kata Cui. "Ini menunjukkan bahwa tekanan puntir yang menumpuk ketika polimer tumbuh di permukaan mungkin memainkan peran utama dalam menciptakan tekuk membran tiga dimensi. Orang-orang lebih fokus pada tekukan filamen di masa lalu."

"Kami juga menunjukkan secara eksplisit bahwa N-terminal helix menghasilkan kelengkungan eksplisit," tambah Cui. "Orang-orang berspekulasi tentang ini sebelumnya, karena heliks amphipathic diketahui melakukannya di sistem lain."

Molekul amfipati mengandung bagian yang menyukai air (hidrofilik) dan pembenci air (hidrofobik). "Namun demikian, secara eksplisit menunjukkan kelengkungan yang dihasilkan oleh kekuatan atom adalah penting karena studi yang lebih baru tampaknya berpendapat bahwa Vps32 saja tidak dapat menghasilkan kelengkungan membran," kata Cui. Mekanisme yang diusulkan didukung oleh simulasi pada dasarnya melibatkan awalnya lesung dan kemudian mendorong keluar dari membran sebagai filamen protein VC32 pembuka botol tumbuh, akhirnya menyebabkan leher invaginasi membran.

Simulasi sistem yang berisi hingga dua juta atom merupakan rintangan besar bagi Cui dan rekan-rekannya. Mereka melamar dan dianugerahi waktu supercomputing melalui XSEDE, dan menyelesaikan simulasi mereka pada sistem Stampede2 di Texas Advanced Computing Center dari UT Austin.

"Stampede2 sangat penting bagi kami untuk mengatur simulasi membran skala besar ini," kata Cui.

Meskipun penelitian ini adalah penelitian murni, pengetahuan yang diperoleh dapat membantu memberi manfaat bagi masyarakat. "Remodeling membran adalah proses penting yang mendasari banyak fungsi dan peristiwa seluler yang penting, seperti transmisi sinaptik dan infeksi virus. Memahami mekanisme remodeling membran akan membantu mengusulkan strategi baru untuk memerangi penyakit manusia akibat gangguan aktivitas fusi membran – atau mencegah virus infeksi – topik yang tepat waktu akhir-akhir ini karena penyebaran cepat virus corona baru, "kata Cui.

Cui juga ikut menulis studi komputasi yang menggunakan simulasi superkomputer untuk menentukan mekanisme kimia untuk reaksi penambahan nukleotida, yang digunakan dalam sel untuk menambahkan basa nukleotida ke untai DNA yang tumbuh.

"Dengan melakukan itu, secara komputasi, kita juga dapat menentukan peran ion logam katalitik dari magnesium yang ada di situs aktif enzim DNA polimerase," kata rekan penulis studi Daniel Roston, asisten ilmuwan proyek di Departemen Kimia dan Biokimia di UC San Diego. "Logam ini agak kontroversial dalam literatur. Tidak ada yang benar-benar yakin apa yang dilakukannya di sana. Kami pikir ini memainkan peran katalisator yang penting."

DNA polimerase menambahkan nukleotida guanin, adenin, timin, sitosin (G-A-T-C) ke DNA dengan menghilangkan proton dari ujung untai yang sedang tumbuh melalui reaksi dengan molekul air. "Ketika kami mengatakan dalam penelitian bahwa molekul air berfungsi sebagai basa, itu berfungsi sebagai basa untuk menghilangkan proton, kimia asam basa. Apa yang tersisa di sana setelah Anda menghapus proton jauh lebih aktif secara kimia untuk bereaksi dengan nukleotida baru itu perlu ditambahkan ke DNA, "kata Roston.

Kimia membutuhkan beberapa transfer proton di situs aktif yang kompleks. Probe eksperimental menggunakan kristalografi sinar-X tidak dapat membedakan antara banyak jalur reaksi yang mungkin.

"Simulasi menawarkan pelengkap kristalografi karena Anda dapat memodelkan semua hidrogen dan menjalankan simulasi dinamika molekul, di mana Anda mengizinkan semua atom bergerak dalam simulasi dan melihat ke mana mereka ingin pergi, dan interaksi apa yang membantu mereka mencapai di mana mereka harus pergi, "kata Roston. "Peran kami adalah melakukan simulasi dinamika molekuler ini dan menguji berbagai model untuk mengetahui bagaimana atom-atom bergerak selama reaksi dan menguji berbagai interaksi yang membantu itu terjadi."

Jumlah perhitungan energi yang diperlukan untuk menyelesaikan simulasi dinamika molekul sangat besar, pada urutan 10e8 hingga 10e9 untuk sistem dengan ribuan atom dan banyak interaksi kompleks. Itu karena tanda waktu pada resolusi yang tepat berada di urutan femtoseconds, 10e-15 detik.

"Reaksi kimia, kehidupan, tidak terjadi secepat itu," kata Roston. "Itu terjadi pada skala waktu orang yang berbicara satu sama lain. Menjembatani kesenjangan ini dalam skala waktu dari banyak, banyak urutan besarnya memerlukan banyak langkah dalam simulasi Anda. Sangat cepat menjadi tidak bisa dikomputasi secara komputasi."

"Salah satu hal hebat tentang XSEDE adalah bahwa kita dapat memanfaatkan satu ton kekuatan komputasi," tambah Roston. Melalui XSEDE, Roston dan rekan-rekannya menggunakan sekitar 500.000 jam CPU pada sistem Comet di San Diego Supercomputer Center. Comet memungkinkan mereka untuk secara bersamaan menjalankan banyak simulasi berbeda yang semuanya saling memberi makan.

Kata Roston: "Replikasi DNA adalah tentang kehidupan ini. Kita mendapatkan inti dari bagaimana hal itu terjadi, proses yang sangat mendasar untuk kehidupan seperti yang kita kenal di Bumi. Ini sangat penting, kita harus benar-benar memahami cara kerjanya di tingkat yang dalam. Tapi kemudian, ada juga aspek-aspek penting dari teknologi, seperti CRISPR, yang memanfaatkan jenis pekerjaan ini untuk mengembangkan sistem untuk memanipulasi DNA. Memahami detail tentang bagaimana kehidupan telah berevolusi untuk memanipulasi DNA akan berperan dalam memberi makan pemahaman kita dan kemampuan kita untuk memanfaatkan teknologi di masa depan. "

'Simulasi molekuler dari sifat-sifat mekanik dan aktivitas membran dari kompleks ESCRT-III' dipublikasikan secara online di jurnal Jurnal Biofisika pada bulan Februari 2020. Rekan penulis studi ini adalah Taraknath Mandal dan Qiang Cui dari Universitas Boston; Wilson Lough, Saverio E. Spagnolie, dan Anjon Audhya dari University of Wisconsin-Madison. Pendanaan studi berasal dari National Science Foundation. Komputasi juga didukung sebagian oleh Cluster Komputasi Bersama, yang dikelola oleh Layanan Komputasi Penelitian Boston University.

'Simulasi energi bebas yang luas mengidentifikasi air sebagai dasar penambahan nukleotida oleh DNA polimerase' diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences pada Desember 2019. Rekan penulis penelitian ini adalah Daniel Roston dari University of California San Diego; Darren Demapan dari University of Wisconsin-Madison; dan Qiang Cui dari Universitas Boston. Pendanaan studi berasal dari National Institutes of Health.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.