Ny algoritm för att förutspå proteiners blixtsnabba rörelser
Forskare vid KTH, Stockholms Universitet och spanska Institute for Biomedical Research Barcelona har utvecklat en metod som gör det möjligt att förutspå hur proteiner rör sig när de ska utföra sina biologiska funktioner. Arbetet visar att proteiners rörelser styrs till stor del av deras form, och de nyvunna kunskaperna förbättrar förståelsen för proteiner. I förlängningen kan arbetet bidra till utvecklingen av nya läkemedel.
Proteiner är kroppens grundläggande byggstenar och involverade i cellens samtliga basala funktioner. För att kunna sköta sitt arbete är proteiner mästare på att ständigt ändra form. Ett exempel är den formförändring som sker när proteiner ska släppa ifrån sig eller fånga in molekyler.
– För att förstå hur ett specifikt protein utför en särskild funktion är det alltså nödvändigt att förstå dess rörelser, förklarar Laura Orellana, forskare och postdoktor i professor Erik Lindahls forskargrupp vid KTH (SciLifeLab) och Stockholms Unversitet.
Proteiner rör sig extremet snabbt
Hon har lett arbetet med den studie som ligger till grund för den nya algoritmen, ett jobb som varit så framgångsrikt att det nu lett fram till en publicering i den väl ansedda vetenskapstidskriften Nature Communications.
Laura Orellana berättar att det är en utmaning att fånga proteiners rörelse över tid. Proteiner rör sig nämligen extremt snabbt och med så små rörelser att dessa är i princip osynliga. Situationen påminner lite grand om tiden före dess att fotografier med snabba slutartider kunde tas.
– Det var först under den senare delen av 1800-talet när Eadweard Muybridge tog en serie fotografier på galopperande hästar som människor insåg att hästen ibland faktiskt helt och hållet befinner sig i luften när den galopperar. Denna situation upprepar sig nu inom proteinforskningen. Det är först när man så att säga kan ta en serie bilder på proteinet när det rör sig som det framgår vilka molekylära funktioner som kan utföras.
Datoralgoritmer för att simulera formförändringarna
Ingen kamera har förståeligt nog kapacitet att fotografera ett proteins rörelser utan istället används datoralgoritmer för att utföra simuleringar av proteiners formförändringar över tid. Då ett protein innehåller tusentals atomer blir dock simulationer av den här typen väldigt avancerade och det krävs så kallade superdatorer för att utföra dem.
– För att göra beräkningarna mer effektiva så har vi skalat bort alla findetaljer i proteinernas struktur, och bara behållit dess ”ryggrad”. Med vår grovkorniga modell – kallad eBDIMS och som likt en impressionistisk tavla lämnar de skarpa detaljerna därhän – kan vi ändå få en bra uppfattning om hur proteinerna rör sig.
För att verifiera att denna förenkling verkligen beskriver proteinernas rörelse på ett korrekt sätt har forskarna noga undersökt hur den nya algoritmen beskriver de få, men konkreta proteinrörelser, som redan dokumenterats av andra forskare i öppna och vetenskapliga databaser. Slutsatsen är att simuleringarna förutsäger de formförändringar som tidigare observerats experimentellt.
Går att studera rörelserna med en vanlig laptop
– Ett direkt resultat av detta är att det är möjligt att studera proteinets rörelser med en vanlig laptop. Alternativet, om det ens fungerat, hade varit veckor eller månaders komplicerade proteinstudier med hjälp av superdatorer.
Utöver bättre förståelse för proteiners rörelser, och vad som driver dessa rörelser, innebär forskningsresultatet nya möjligheter att i förlängningen ta fram nya läkemedel.
Forskningsarbetet är ett samarbete mellan KTH, Stockholms Universitet och Institute for Biomedical Research Barcelona i Spanien, och ar finansierats av Vetenskapsrådet, Swedish e-Science Research Centre (SeRC), the Spanish Ministry of Science (MINECO), the Catalan Agency for Research (AGAUR), European H2020 Program och Europeiska forskningsrådet.
Kontakt: Laura Orellana på laura.orellana@scilifelab.se
