Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa một cơ chế chính mà DNA sao chép. Nghiên cứu có thể giúp xác định các mục tiêu mới để điều trị bệnh.
Biết cấu trúc của một hệ thống sinh học phức tạp gần như không đủ để hiểu nó hoạt động như thế nào. Nó giúp biết hệ thống di chuyển như thế nào.
Trong bối cảnh đó, các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã mô hình hóa một cơ chế chính mà DNA mô phỏng.
Kết hợp các thí nghiệm cấu trúc và mô phỏng trên máy tính, nhà sinh học Yang Gao, nhà vật lý lý thuyết Peter Wolynes, nghiên cứu sinh Shikai Jin và các đồng nghiệp của họ đã khám phá ra chi tiết về howhelicase, một họ protein vận động dạng vòng, quấn lấy DNA trong quá trình sao chép. Công việc của họ có thể tiết lộ các mục tiêu mới cho các loại thuốc chống lại bệnh tật.
Sức mạnh tổng hợp giữa các thí nghiệm và mô phỏng quy mô lớn mà họ mô tả trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia có thể trở thành một mô hình để mô hình hóa các cơ chế của nhiều hệ thống sinh học phức tạp.
Gao, một trợ lý giáo sư khoa học sinh học và là Học giả CPRIT về Nghiên cứu Ung thư cho biết: “Đây là những quá trình năng động không thể nắm bắt tốt chỉ bằng các phương pháp thử nghiệm. "Nhưng điều quan trọng là phải chỉ ra cơ chế của các chuỗi xoắn ốc này, bởi vì chúng cần thiết cho quá trình sao chép DNA và cũng có thể là các mục tiêu thuốc."
Các chuỗi xoắn lục phân có sáu cạnh tự lắp ráp từ các peptit thành một vòng giống như vòng đệm giúp tách các sợi kép của ADN bố mẹ thành các sợi đơn con gái. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể xác định cách thức hoạt động của vi khuẩn helicase khi nó giải nén sợi kép.
Mô phỏng Rice ủng hộ ý tưởng rằng các vòng liên kết DNA trong sáu tiểu đơn vị của helicase tạo thành một loại cầu thang di chuyển xuống xương sống DNA được cung cấp bởi sự thủy phân ATP, quá trình mà năng lượng hóa học dự trữ trong các phân tử ATP được giải phóng.
Người ta đã biết rằng ATP được thu hút bởi các protein NTPase trong mỗi tiểu đơn vị để thúc đẩy chuyển động bước. Nhưng các nhà nghiên cứu đã không hiểu chính xác rằng thủy phân ATP là chìa khóa. Nhóm nghiên cứu Rice phát hiện ra rằng ATP liên kết chặt chẽ với các tiểu đơn vị helicase, nhưng quá trình thủy phân làm giảm đáng kể rào cản năng lượng đối với sự phân tách của tiểu đơn vị, cho phép protein tiến về phía trước.
(adv)
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng vì phức hợp helicase-DNA quá lớn, nên chỉ có một số nỗ lực để mô phỏng sự chuyển vị của helicase từ đầu này sang đầu kia của sợi. Lúa lai của hai kỹ thuật mô phỏng hạt thô đã tạo cơ hội để nghiên cứu quy trình từ đầu đến cuối.
Các mô phỏng đã tiết lộ một số trạng thái trung gian chưa từng biết trước đây và xác định chính xác các tương tác liên quan đến chuyển động đường dài của helicase. Họ chỉ ra rằng mỗi bước chuyển vị có thể di chuyển hơn 12 nucleotide dọc theo xương sống.
Để tìm kiếm cơ chế, nhóm nghiên cứu tập trung vào vi khuẩn T7, một loại virus lây nhiễm vi khuẩn thường được sử dụng như một hệ thống mô hình. Để mô phỏng helicase của nó, được gọi là gp4, các nhà nghiên cứu đã kết hợp hai trường lực: AWSEM, được phát triển ban đầu bởi Wolynes và các đồng nghiệp của ông để dự đoán cách protein gấp lại và open3SPN2, một trình mô phỏng DNA được phát triển bởi kỹ sư phân tử Juan de Pablo tại Đại học Chicago. Trường lực mô tả các lực quyết định cách các nguyên tử và phân tử chuyển động khi tiếp xúc. (Sự kết hợp mới lạ của các trường lực là chủ đề của bài báo năm 2021 do Rice dẫn đầu trong Sinh học tính toán PLOS.)
Cả hai trường lực đều là mô hình phân tử hạt thô dựa trên máy học chỉ sử dụng một tập hợp con của các nguyên tử trong một hệ thống nhưng vẫn cung cấp kết quả chính xác đồng thời cắt giảm đáng kể thời gian tính toán.
Jin nói: “Việc kết hợp các mô hình đã cho phép tăng tốc GPU để chúng tôi có thể thực hiện các mô phỏng động lực học phân tử của mình rất nhanh. "Phần mềm kết hợp hiện nhanh hơn 30 lần so với các phiên bản chúng tôi đã sử dụng cho các nghiên cứu khác."
Nó giúp T7 có kích thước bằng một nửa các vi khuẩn helicase trong tế bào người. Ông nói: “Trong hệ thống của con người, có sáu chuỗi polypeptide khác nhau trong helicase, nhưng trong T7, nó giống nhau tạo ra sáu bản sao.
Wolynes, đồng giám đốc của Rice's Center cho Vật lý sinh học lý thuyết. "Bản thân trường lực DNA sợi đơn là một điều mới lạ nhưng đây chỉ là phần nền trong dự án này, nơi nó cho phép chúng tôi xem xét quá trình một cách chi tiết."
Gao nói: “Các cấu trúc cryo-EM mà chúng ta có cho những phức hợp thiết yếu này là chính xác về mặt sinh lý học, nhưng những hệ thống này rất năng động. "Họ phải di chuyển để làm công việc của họ, và vẫn còn rất nhiều điều chúng tôi muốn biết về cách họ làm điều đó.
Ông nói: “Đó là nơi mà các mô hình tính toán này có thể đóng góp lớn và chắc chắn chúng sẽ được điều chỉnh cho phù hợp với các hệ thống lớn khác để kiểm tra các câu hỏi khá quan trọng.
Nguồn Đại học Rice
