Los glóbulos rojos son asombrosos. Recogen oxígeno de nuestros pulmones y lo llevan por todo el cuerpo para mantenernos con vida. La molécula de hemoglobina en los glóbulos rojos transporta oxígeno cambiando su forma de un modo de todo o nada. Cuatro copias de la misma proteína en la hemoglobina se abren y cierran como pétalos de flores, acoplados estructuralmente para responder entre sí. Usando supercomputadoras, los científicos están empezando a diseñar proteínas que se autoensamblan para combinarse y parecerse a moléculas que dan vida como la hemoglobina. Los científicos dicen que sus métodos podrían aplicarse a tecnologías útiles como la focalización farmacéutica, recolección de energía artificial, materiales de construcción y detección 'inteligentes', y más.

Un equipo científico hizo este trabajo sobrealimentando proteínas, lo que significa que cambiaron las subunidades de proteínas, los aminoácidos, para dar a las proteínas una carga positiva o negativa artificialmente alta. Utilizando proteínas derivadas de medusas, Los científicos pudieron ensamblar una estructura compleja de dieciséis proteínas compuesta por dos octameros apilados solo mediante la sobrecarga, hallazgos que fueron reportados en enero de 2019 en la revista Química de la naturaleza .

Luego, el equipo utilizó simulaciones de supercomputadoras para validar e informar estos resultados experimentales. Las asignaciones de supercomputadoras en Stampede2 en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) y Comet en el Centro de Supercomputación de San Diego (SDSC) se otorgaron a los investigadores a través de XSEDE, el Entorno de Descubrimiento de Ciencias Extremas e Ingeniería financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

"Descubrimos que al tomar proteínas que normalmente no interactúan entre sí, podemos hacer copias que tengan una carga muy positiva o muy negativa, "dijo la coautora del estudio Anna Simon, investigador postdoctoral en el Ellington Lab de UT Austin. "Combinando las copias con carga alta y negativa, podemos hacer que las proteínas se ensamblen en ensamblajes estructurados muy específicos, "Dijo Simon. Los científicos llaman a su estrategia 'ensamblaje de proteínas sobrealimentadas, 'donde impulsan interacciones proteicas definidas mediante la combinación de variantes sobrealimentadas diseñadas.

"Explotamos un principio básico muy conocido de la naturaleza, que se atraen cargas opuestas, ", añadió el coautor del estudio, Jens Glaser. Glaser es científico investigador asistente en el Grupo Glotzer, Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Michigan. "El grupo de Anna Simon descubrió que cuando mezclaban estas variantes cargadas de proteína verde fluorescente, obtienen estructuras muy ordenadas. Eso fue una verdadera sorpresa "Dijo Glaser.

La estructura de octamer apilado parece un anillo trenzado. Está compuesto por 16 proteínas:dos anillos entrelazados de ocho que interactúan de forma muy específica, parches discretos. "La razón por la que es tan difícil diseñar proteínas que interactúen sintéticamente es que hacer estos parches que interactúan y hacer que todos se alineen de manera tal que permitan que las proteínas se ensamblen en forma más grande, las estructuras regulares son realmente difíciles, ", explicó Simon. Solucionaron el problema agregando muchas cargas positivas y negativas para diseñar variantes de la proteína verde fluorescente (GFP), una proteína de 'ratón de laboratorio' bien estudiada derivada de la medusa Aequorea victoria.

La proteína cargada positivamente, que llamaron proteína fluorescente cerúlea (Ceru) +32, tuvo oportunidades adicionales para interactuar con la proteína GFP-17 cargada negativamente. "Al dar a estas proteínas todas estas oportunidades, estos diferentes lugares donde potencialmente podrían interactuar, pudieron elegir los correctos, ", Dijo Simon." Había ciertos patrones e interacciones que estaban allí, disponible, y enérgicamente favorecido, que no necesariamente predecimos de antemano que les permitiría ensamblar en estas formas específicas ".

Para obtener las proteínas fluorescentes cargadas de ingeniería, Simon y los coautores Arti Pothukuchy, Jimmy Gollihar, y Barrett Morrow codificó sus genes, incluyendo una etiqueta química utilizada para la purificación de piezas portátiles de ADN llamadas plásmidos en E. coli, luego cosechó la proteína marcada que creció E. coli. Los científicos mezclaron las proteínas. Inicialmente pensaron que las proteínas podrían simplemente interactuar para formar grandes, grumos de estructura irregular. "Pero entonces, lo que seguimos viendo era así de extraño, pico divertido alrededor de 12 nanómetros, que era mucho más pequeño que una gran cantidad de proteína, pero significativamente más grande que la proteína única, " Simon dijo.

Midieron el tamaño de las partículas que se formaron usando un instrumento Zetasizer en el Instituto de Materiales de Texas de UT Austin, y verificó que las partículas contenían proteínas cerúlea y GFP Förster Resonance Energy Transfer (FRET), que mide la transferencia de energía entre proteínas fluorescentes de diferentes colores, produce fluorescencia en respuesta a diferentes energías de luz para ver si están juntas. La microscopía electrónica de tinción negativa identificó la estructura específica de las partículas, realizado por el grupo de David Taylor, profesor asistente de biociencias moleculares en UT Austin. Mostró que la partícula de 12 nm consistía en un octámero apilado compuesto por dieciséis proteínas. "Descubrimos que eran estructuras parecidas a flores con hermosas formas, "Dijo Simon. El coautor Yi Zhou del grupo de Taylor de UT Austin aumentó la resolución aún más usando microscopía crioelectrónica para revelar detalles a nivel atómico del octámero apilado.

El modelado computacional refinó las medidas de cómo se organizaron las proteínas en una imagen clara de lo hermoso, estructura en forma de flor, según Jens Glaser. "Tuvimos que idear un modelo que fuera lo suficientemente complejo como para describir la física de las proteínas fluorescentes verdes cargadas y presentar todos los detalles atomísticos relevantes". sin embargo, fue lo suficientemente eficiente como para permitirnos simular esto en una escala de tiempo realista. Con un modelo completamente atomista, nos habría llevado más de un año obtener una sola simulación de la computadora, por muy rápida que fuera la computadora, "Dijo Glaser.

Simplificaron el modelo al reducir la resolución sin sacrificar detalles importantes de las interacciones entre proteínas. "Por eso utilizamos un modelo en el que la forma de la proteína está representada exactamente por una superficie molecular, al igual que el que se mide a partir de la estructura cristalográfica de la proteína, "Agregó Glaser.

"Lo que realmente nos ayudó a cambiar esto y mejorar lo que pudimos obtener de nuestras simulaciones fueron los datos crio-EM, "dijo Vyas Ramasubramani, estudiante de posgrado en ingeniería química en la Universidad de Michigan. "Eso es lo que realmente nos ayudó a encontrar la configuración óptima para poner en estas simulaciones, que luego nos ayudó a validar los argumentos de estabilidad que estábamos haciendo, y con suerte, en el futuro, hacer predicciones sobre las formas en que podemos desestabilizar o modificar esta estructura, "Dijo Ramasubramani.

Los científicos necesitaron mucha potencia de cálculo para hacer los cálculos en la escala que querían.

"Usamos XSEDE básicamente para tomar estos enormes sistemas, donde tienes muchas piezas diferentes interactuando entre sí, y calcule todo esto a la vez para que cuando comience a mover su sistema hacia adelante a través de una apariencia de tiempo, podría hacerse una idea de cómo iba a evolucionar en escalas de tiempo algo reales, ", Dijo Ramasubramani." Si intentas hacer el mismo tipo de simulación que hicimos en una computadora portátil, Habría sido necesario meses, si no años, para comprender realmente si algún tipo de estructura sería estable o no. Para nosotros, no poder usar XSEDE, donde podrías usar esencialmente 48 núcleos, 48 unidades de cálculo todas a la vez para hacer estos cálculos altamente paralelos, hubiéramos estado haciendo esto mucho más lento ".

La supercomputadora Stampede2 en el TACC contiene 4, 200 Intel Knights Landing y 1, 736 nodos de cómputo Intel Skylake X. Cada nodo Skylake tiene 48 núcleos, la unidad básica de un procesador de computadora. "Los nodos Skylake de la supercomputadora Stampede2 fueron fundamentales para lograr el rendimiento necesario para calcular estas interacciones electrostáticas que actúan entre las proteínas con carga opuesta de manera eficiente, " Glaser said. "The availability of the Stampede2 supercomputer was at just the right point in time for us to perform these simulations."

Inicialmente, the science team tested their simulations on the Comet system at the SDSC. "When we were first figuring out what kind of model to use and whether this simplified model would give us reasonable results, Comet was a great place to try these simulations, " Ramasubramani said. "Comet was a great testbed for what we were doing."

Looking at the bigger scientific picture, the scientists hope that this work advances understanding of why so many proteins in nature will oligomerize, or join together to form more complex and interesting structures.

"We showed that there doesn't need to be a very specific, pre-distinguished set of plans and interactions for these structures to form, " Simon said. "This is important because it means that maybe, and quite likely we can take other sets of molecules that we want to make oligomerize and generate both positively charged and negatively charged variants, combine them, and have specifically ordered structures for them."

Natural biomaterials like bone, plumas, and shells can be tough yet lightweight. "We think supercharged protein assembly is an easier way to develop the kind of materials that have exciting synthetic properties without having to spend so much time or having to know exactly how they're going to come together beforehand, " Simon said. "We think that will accelerate the ability to engineer synthetic materials and for discovery and exploration of these nanostructured protein materials."

El estudio, "Supercharging Enables Organized Assembly of Synthetic Biomolecules, " was published in the journal Química de la naturaleza in January of 2019.