التنبؤ بهياكل البروتين باستخدام أجهزة الكمبيوتر

من المعروف منذ سنوات أن التسلسل الجينومي للبروتين يحدد بنيته ثلاثية الأبعاد. لكن حتى الآن، كنت بحاجة إلى تجارب لاكتشاف هذه البنية. الآن، يستخدم العلماء من جامعة واشنطن ومعهد هوارد هيوز الطبي (HHMI) في سياتل، ببساطة أجهزة الكمبيوتر للتنبؤ بهياكل البروتين. وتنجح هذه الطريقة وكذلك الطرق التجريبية أو ثلث الحالات المدروسة. قد تبدو هذه نسبة منخفضة، لكنها في الواقع إنجاز رائع يفتح طريقًا جديدًا للاكتشاف كيف تعمل هذه الآلات البيولوجية، البروتينات، فقط عن طريق إدخال التسلسل الجيني إلى الكمبيوتر.

هنا هو كيف ديفيد بيكر، أحد الباحثين في HHMI في جامعة واشنطن، يصف بحثه.

"منذ أكثر من 40 عامًا، عرف الناس تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين الذي يحدده هيكل ثلاثي الأبعاد، ولكن لم يتمكن أحد من ترجمة التسلسل إلى دقة قال بيكر: "الهيكل". "السبب الذي يجعل هذا البحث مثيرًا هو أننا نظهر تقدمًا في التنبؤ بالبنية من التسلسل. لا يعني ذلك أن المشكلة قد تم حلها، بل أن هناك أملاً".

وبالفعل، هناك أمل. وفيما يلي بعض التفاصيل حول أحدث النتائج التي حصل عليها الباحثون.

وفي هذه الدراسة، قام برنامج كمبيوتر متطور بدمج 17 سلسلة قصيرة من الأحماض الأمينية في 100 ألف تنوع محتمل. عندما قارن الباحثون أفضل التنبؤات بالهياكل الفعلية التي تم حلها مسبقًا بواسطة الآخرين باستخدام العلماء التقنيات التجريبية، حققوا نفس معدل النجاح الذي حققه أفضل الضاربين في الدوري الرئيسي البيسبول.

"بالنسبة لحوالي ثلث مجموعتنا المعيارية من البروتينات الصغيرة، قمنا بتوليد تنبؤات هيكلية عالية الدقة نسبيًا، باستخدام وقال المؤلف الأول فيليب برادلي، وهو زميل ما بعد الدكتوراه في معهد بيكر: "أجزاء من الهياكل تنبأت بدقة شبه ذرية". مختبر. "بالنسبة لنا، إنها خطوة حقيقية للأمام لتحقيق هياكل يمكن مقارنتها بطريقة ما بما يمكنك الحصول عليه من خلال التجارب."

تُظهر الصور أدناه تنبؤين ببنية البروتين متوسطة الدقة. تم توضيح تراكب النماذج منخفضة الطاقة باللون الأزرق والهياكل التجريبية التي تظهر السلاسل الجانبية الأساسية باللون الأحمر. "إن نموذج الجولة 1 (A) ذو الطاقة الأقل لبروتين Enga صحيح من الناحية الطوبولوجية ولكنه لا يحتوي على تعبئة جانبية أو مطابقة للحلقة تشبه السلسلة الأصلية. وينطبق الشيء نفسه على النموذج الأقل طاقة (B) من الجولة الثانية لـ Yhhp." (Credit: HHMI)

وإليك كيفية عمل عملية التنبؤ المكونة من خطوتين.

تستخدم المرحلة الأولى نموذج تقريبي يسمح بحساب الطاقة بشكل سريع وبالتالي يمكن تنفيذها بسرعة، بينما يستخدم الثاني نموذجًا مفصلاً للغاية حيث تستغرق حسابات الطاقة وقتًا أطول بكثير ولكنها أكثر دقة. يتم إجراء بحث واسع النطاق من خلال الهياكل المحتملة في المرحلة الأولى، ثم يتم استكشاف المواقع الواعدة بالتفصيل في المرحلة الثانية.

[في هذه المرحلة الثانية، يقوم برنامج النمذجة الحاسوبية] باستبدال الصورة الغامضة للسلاسل الجانبية بنماذج مفصلة وواقعية فيزيائيا مع تمثيل جميع الذرات. ومن مواقع الذرات في السلاسل الجانبية والعمود الفقري للبروتين، يستخدم الكمبيوتر بعد ذلك كيمياء فيزيائية مفصلة مجال القوة القائم والذي يفضل التعبئة القريبة للذرات والترابط الهيدروجيني لحساب طاقة الطاقة بشكل أكثر دقة بناء.

لمزيد من المعلومات، يجب عليك التحقق من مختبر بيكر الصفحة الرئيسية، هذه الصفحة المحددة حول التنبؤ وتصميم الهياكل الجزيئية أو قراءة المزيد عن روزيتا@المنزل مشروع حول طي البروتين وتصميمه ورسوه.

تم نشر العمل البحثي المذكور أعلاه بواسطة علوم تحت اسم "نحو تنبؤ ببنية دي نوفو عالية الدقة للبروتينات الصغيرة" (المجلد. 309، العدد 5742، الصفحات 1868-1871، سبتمبر 2005). هنا رابط ل الملخص. الصور أعلاه مستخرجة من المواد الداعمة عبر الإنترنت لهذه المادة.

وأخيرا، في ورقة ذات صلة نشرت في عدد أغسطس من المجلة البروتينات (المجلد 60، العدد 2، الصفحات 187-194، 1 أغسطس 2005)، أفاد بيكر وزملاؤه أنه يمكن استخدام أساليب مماثلة للتنبؤ بهياكل مجمعات البروتين. هنا رابط ل الملخصمن هذه الورقة بعنوان "التقدم في إرساء البروتين البروتين: تنبؤات الدقة الذرية في تجربة CAPRI باستخدام RosettaDock مع علاج محسن لـ مرونة السلسلة الجانبية." ويرجى ملاحظة أن CAPRI ليست مدينة إيطالية جميلة في هذا السياق، ولكنها اختصار لعبارة "التقييم النقدي للتوقعات التفاعلات."

المصادر: بيان صحفي لمعهد هوارد هيوز الطبي، 16 سبتمبر/أيلول 2005؛ ومواقع الويب المختلفة

ستجد القصص ذات الصلة باتباع الروابط أدناه.

• التكنولوجيا الحيوية
  
• كيمياء
  
• أجهزة الكمبيوتر
  
• علم الوراثة
  
• الدواء