Algunos de los procesos más esenciales del planeta implican que el agua y la energía entren y salgan de las células.

Los porteros celulares responsables de este acceso se conocen como acuaporinas y transportadores de glucosa, dos familias de proteínas que facilitan el flujo de agua rápido pero selectivo, glucosa y otras sustancias pequeñas a través de las membranas biológicas.

Las acuaporinas están presentes en todos los reinos de la vida, demostrando su papel central en el mantenimiento de la salud de todos los organismos. La primera acuaporina se descubrió en 1992, ganando su descubridor, Peter Agre, el Premio Nobel de Química en 2003. Desde entonces, Se han identificado más de 450 acuaporinas individuales.

Los experimentos por computadora, en particular las simulaciones de dinámica molecular (MD), han demostrado ser importantes para determinar cómo los materiales penetran a través de las proteínas de los canales a nivel molecular.

Según Liao Chen, Las descripciones de los libros de texto de los transportadores de glucosa han subestimado la complejidad de cómo operan estas proteínas. Los experimentos y la cristalografía de rayos X solo pueden capturar tantos detalles, y las simulaciones por computadora se han visto limitadas en su capacidad para modelar sistemas a gran escala que incluyen las complejidades de la membrana involucradas en la compuerta, y otros factores.

Chen ha estudiado este problema utilizando supercomputadoras en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) durante más de una década. con una precisión y complejidad crecientes.

"Como físico teórico, Creo firmemente en lo que dijo Richard Feynman:que todo lo que hacen los seres vivos puede entenderse en términos de las sacudidas y contoneos de los átomos, ", Dijo Chen." Hemos tratado de construir un puente entre el movimiento y movimiento de millones de átomos y el comportamiento determinista muy simple de los sistemas biológicos ".

Desde 2019 Ha aplicado el poder de modelado de Frontera, una de las supercomputadoras más poderosas del mundo, para investigar cómo las acuaporinas y los transportadores de glucosa en los glóbulos rojos humanos mueven el agua y la glucosa dentro y fuera de la célula.

"Estamos construyendo modelos de proteínas de membrana a partir de átomos, incluido su entorno inmediato en la membrana, "Dijo Chen." La membrana está compuesta de lípidos y las valvas internas y externas son asimétricas. Cualitativamente, entendemos cómo se mueven el agua y la glucosa, pero nadie ha modelado correctamente la membrana para obtener una precisión cuantitativa que es una norma en otras ramas de la física. Nos estamos moviendo en esa dirección ".

La investigación de Chen ha encontrado diferencias significativas entre los resultados producidos por modelos simples y los más realistas que usa.

"Con Frontera, hemos podido acercarnos a la realidad y lograr un acuerdo cuantitativo entre experimentos y simulaciones por computadora, " él dijo.

Más allá de la función biológica básica de las acuaporinas y los transportadores de glucosa, estas proteínas están implicadas en enfermedades como el síndrome de Vivo, un trastorno neurológico, y múltiples formas de cáncer. En abril de 2020, Chen publicó un artículo en Fronteras en la física aplicar la investigación a un parásito causante de enfermedades que es un análogo útil del virus que causa la malaria en los seres humanos. Los investigadores también están investigando la manipulación de estas proteínas como tratamiento para ciertos tipos de cánceres, lo que limita la disponibilidad de los nutrientes necesarios para detener el crecimiento de tumores.

El movimiento del agua dentro y fuera de las células implica el más simple de los transportadores de membrana. Sin embargo, los transportadores de glucosa que conducen la glucosa, que proporciona la energía que necesitan todas las células, a través de las membranas celulares son más complicados.

"El mecanismo de transporte de la glucosa es controvertido, pero creo que ahora estamos muy cerca de la respuesta, "Dijo Chen.

Durante mucho tiempo se asumió que los transportadores de glucosa obedecen a la teoría del acceso alterno como muchas otras proteínas de la superfamilia de facilitadores principales. Las proteínas de esta superfamilia tienen dos grupos de hélices transmembrana que, según la teoría, oscilan entre sí. De ese modo, la proteína se puede abrir en el lado extracelular para permitir que un azúcar entre en la proteína. Luego, los dos grupos oscilan para que la proteína se abra hacia el lado intracelular, lo que permite que el azúcar salga de la proteína y entre en el citoplasma. La proteína sigue alternando entre las conformaciones abiertas al exterior y abiertas al interior para transportar la energía necesaria en el metabolismo celular.

Sin embargo, Los transportadores de glucosa son distintos de los demás miembros de esta enorme superfamilia de proteínas transportadoras. A diferencia de los otros miembros que son transportadores activos con suministros de energía a su disposición, los transportadores de glucosa son facilitadores pasivos; no tienen un suministro de energía que les permita funcionar. Chen creía que los transportadores de glucosa pueden no obedecer a la teoría del acceso alterno y comenzó a examinar los transportadores de glucosa 1 y 3 muy de cerca.

"Nuestros estudios indican que una vez que colocamos este simple transportador en las células, si usa una membrana asimétrica, el transportador no tiene que pasar por un mecanismo de acceso alterno, "Dijo Chen." En realidad, tiene una puerta en el lado extracelular que fluctúa entre estar abierta y cerrada según la temperatura corporal. Así que ese es un ejemplo de diversidad en el mecanismo de las proteínas transportadoras ".

Chen ha publicado dos artículos sobre este tema específico hasta ahora. Escribiendo en ACS Chem. Neurociencia , su equipo proporcionó un estudio cuantitativo del transportador de glucosa 3, que es común en el sistema nervioso central y, por lo tanto, se denomina transportador de glucosa neuronal. En un artículo más reciente en Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica , sugirieron la nueva posibilidad de cómo funcionan los transportadores de glucosa.

El equipo de Chen también realiza experimentos de laboratorio para ver el comportamiento general de la célula, y obtener una verdad básica con la que comparar sus modelos. Pero se requieren supercomputadoras para llegar a los detalles mecánicos específicos.

En abril de 2020, Chen fue galardonado con 200, 000 horas de nodo en Frontera para modelar los canales de proteínas con mayor detalle.

"En Frontera, cada núcleo es más rápido y el sistema es masivo, para que podamos modelar sistemas más grandes mucho más rápido, "Dijo." Los sistemas más grandes son imprescindibles. Cuando se trata de sistemas pequeños, no estás cerca de la realidad ".