Computersimuleringer hjælper materialer Forskere og biokemister studerer bevægelsen af makromolekyler og fremmer udviklingen af nye lægemidler og bæredygtige materialer. Imidlertid udgør disse simuleringer en udfordring for selv de mest kraftfulde supercomputere.
En kandidatstuderende fra University of Oregon har udviklet en ny matematisk ligning, der markant forbedrer nøjagtigheden af de forenklede computermodeller, der bruges til at undersøge bevægelsen og opførslen af store molekyler, såsom proteiner, nukleinsyrer og syntetiske materialer, såsom plastik.
Gennembrudet, der blev offentliggjort i sidste måned i Fysisk gennemgangsbreve, Forbedrer forskernes evne til at undersøge bevægelsen af store molekyler i komplekse biologiske processer, såsom DNA -replikation. Det kunne hjælpe med at forstå sygdomme, der er knyttet til fejl i en sådan replikation, hvilket potentielt kan føre til nye diagnostiske og terapeutiske strategier.
“Vi vil forstå, hvordan molekyler bevæger sig, vri og funktion,” sagde Jesse Hall, en fysik -doktorgradskandidat, der arbejdede med teoretisk fysisk kemi -professor Marina Guenza for at udvikle den nye model. “Med denne nye ligning kan vi simulere større proteinkomplekser og få dybere indsigt i, hvordan disse molekylære maskiner fungerer i kroppen.”
Halls forskning har gjort fremskridt med et problem, som beregningsforskere har arbejdet på i mere end 50 år: hvordan man nøjagtigt beregner friktionsbiomolekylerne oplever inden for deres kaotiske, viskøse miljø.
Biomolekyler – molekyler produceret af en levende organisme, såsom proteiner – er omgivet af tusinder af vandmolekyler sammen med andre proteiner, nukleinsyrer og andre typer molekyler. Inden for dette miljø er de i konstant bevægelse; De foldes, udfolder sig og binder til nukleinsyrer og andre proteiner.
“De krøller sig derinde, og mekanikken i, hvad de gør, er meget vigtig for at forstå, hvordan DNA -replikation fungerer eller udvikle lægemidler til at målrette mod en bestemt mekanisme,” sagde Hall.
I stedet for at syntetisere fysiske prøver til undersøgelse, bruger forskere computermodeller som et virtuelt laboratorium. Det giver dem mulighed for at ændre de molekyler, de analyserer ved at ændre deres kode, så de derefter kan undersøge virkningerne af ændringen.
“Når du har en god, grovkornet model, kan du simulere store systemer,” sagde Guenza, der er medforfatter til undersøgelsen. “For eksempel kan man se, hvordan molekyler bevæger sig sammen, omarrangerer, kombineres og fungerer som en maskine. Du kan ændre en aminosyre og se, hvordan mutationen påvirker den måde, molekylerne udfører deres biologiske funktion.”
Da biomolekylære systemer er så store og komplekse, er forskere afhængige af grovkornede matematiske modeller, der simulerer molekylære bevægelser uden at skulle skildre hvert enkelt atom. Det hjælper med at holde beregningsomkostninger nede, mens du fremskynder beregningen.
Men forskere har kæmpet i årtier for nøjagtigt at beregne værdien af friktion, som er en del af de data, der blev brugt, når de kører grovkornede simuleringer, sagde Guenza.
Når molekyler bevæger sig gennem væske, skaber den resulterende friktion en trækffekt, hvilket påvirker både deres interne udsving og deres eksterne bevægelser.
“For at beskrive, hvordan et protein bevæger sig, er du nødt til at afbalancere de forskellige kræfter: de viskøse kræfter, de tilfældige kræfter fra kollision med omgivende molekyler og de indre kræfter, der holder molekylet sammen,” sagde Guenza.
Andre forskere har udtænkt matematiske løsninger fra en formel kendt som “Einstein -forholdet”, der etablerer forholdet mellem en partikels diffusion, eller hvor hurtigt den spreder sig, og dens mobilitet, eller hvor let det kan flyttes. Men disse løsninger har deres grænser.
“Der er meget godt arbejde derude til at beskrive et aspekt af et proteins bevægelse, men vi har brug for mere komplette modeller, der kan beskrive flere aspekter af et proteins bevægelse på én gang,” sagde Hall. “Vi er dybest set kommet med en meget mere generel form for Einstein -forholdet, der giver meget mere valg og frihed. Det giver os mulighed for fleksibelt at indstille vores beregninger til et specifikt system og få mere pålidelige resultater.”
Halls ligning er den første, der samtidig beskriver friktion for både et molekyls indre udsving og dens ydre diffusion gennem væsken, sagde Guenza.
”Dette er en strålende løsning,” sagde hun. “Jesses arbejde giver et meget nøjagtigt værktøj, der kan anvendes til både enkle og komplekse molekylære systemer, hvilket gør simuleringer af disse store systemer både hurtigere og mere nøjagtige.”
I mange år har Guenza-gruppen fokuseret på at udvikle nøjagtige teoretiske værktøjer, der fremskynder molekylære simuleringer, værktøjer, der er essentielle til at designe nye polymerbaserede materialer og til at studere, hvordan proteiner interagerer med DNA under replikation. Fejl i DNA -replikation spiller en rolle i udviklingen af kræft og kan føre til en bred vifte af genetiske lidelser.
“Vi indså, at vi var nødt til at opbygge nogle flere værktøjer for at få virkelig nøjagtige, præcise matematiske modeller,” sagde Hall.
Selvom hans forskning primært er teoretisk, “bygger vi mod nogle mere praktiske værktøjer, vi kan bruge senere,” sagde Hall. “Forhåbentlig er dette et værktøj, som andre mennesker kan bruge til at arbejde på projekter, der aldrig engang ville have fundet mig.”