Algoritms, kas revolucionizē 3-D proteīna struktūras atklāšanu

Viens no lielākajiem izaicinājumiem molekulārajā bioloģijā ir noteikt lielu biomolekulu, piemēram, olbaltumvielu, trīsdimensiju struktūru. Bet tas ir ļoti grūts un laikietilpīgs uzdevums.

Standarta metode ir rentgenstaru kristalogrāfija, kas ietver rentgenstaru difrakcijas modeļa analīzi no pētāmās molekulas kristāla. Tas labi darbojas molekulām, kas viegli veido kristālus.

Bet daudzi proteīni, iespējams, vairums, kristālus neveido viegli. Un pat tad, kad viņi to dara, viņi bieži iegūst nedabiskas konfigurācijas, kas nelīdzinās to dabiskajai formai.

Tātad, atrast citu uzticamu veidu, kā noteikt lielu biomolekulu 3-D struktūru, būtu milzīgs sasniegums. Šodien Markuss Brubakers un pāris draugi Toronto Universitātē Kanādā saka, ka ir atraduši veidu, kā būtiski uzlabot 3-D attēlveidošanas paņēmienu, kas nekad nav īsti līdzinājies rentgena kristalogrāfijas lietderībai.

Jaunā tehnika ir balstīta uz attēlveidošanas procesu, ko sauc par elektronu kriomikroskopiju. Tas sākas ar attīrītu mērķa molekulas šķīdumu, kas ir sasaldēts plānā plēvē tikai vienas molekulas biezumā.

Pēc tam šī filma tiek fotografēta, izmantojot procesu, kas pazīstams kā transmisijas elektronu mikroskopija — tā tiek bombardēta ar elektroniem, un tie, kas iet cauri, tiek reģistrēti. Būtībā tas rada filmas molekulu divdimensiju ēnu diagrammas. Pēc tam pētnieki atlasa katru ēnu diagrammu un izmanto tās, lai izstrādātu mērķa molekulas trīsdimensiju struktūru.

Šis process ir grūts vairāku iemeslu dēļ. Pirmkārt, katrā attēlā ir milzīgs trokšņa daudzums, tāpēc pat divdimensiju ēnu ir grūti pamanīt. Otrkārt, nav iespējams uzzināt molekulas orientāciju, kad tika uzņemta ēna, tāpēc 3-D formas noteikšana ir milzīgs darbs.

Standarta pieeja šīs problēmas risināšanai ir tikai minējums. Izdomājiet potenciālu molekulas 3-D struktūru un pēc tam pagrieziet to, lai redzētu, vai tā var ģenerēt visas datu kopā esošās ēnu diagrammas. Ja nē, mainiet struktūru, pārbaudiet to utt.

Acīmredzot tas ir laikietilpīgs process. Pašreizējais vismodernākais algoritms, kas darbojas uz 300 kodoliem, aizņem divas nedēļas, lai atrastu vienas molekulas 3-D struktūru no 200 000 attēlu datu kopas.

Brubaker un co ir izstrādājuši daudz ātrāku metodi, kas var paveikt to pašu darbu tikai 24 stundu laikā, strādājot vienā darbstacijā. Metode balstās uz diviem algoritmiskiem jauninājumiem.

Pirmajā tiek izmantots fakts, ka attēli ir trokšņaini un tādējādi satur lielu daudzumu liekas informācijas. Komanda to apiet, izmantojot algoritmu, kas novērš lielu daļu šīs dublēšanas, atstājot tikai sākotnējo datu apakškopu. Protams, triks ir atbrīvoties no bezjēdzīgiem datiem, vienlaikus saglabājot noderīgās lietas, ko viņi pārvalda, izmantojot mašīnmācīšanās pieeju.

Tas samazina apstrādājamo datu apjomu, bet galvenais paātrinājums ir saistīts ar otro jauninājumu, statistikas paņēmienu, ko sauc par svarīguma paraugu ņemšanu.

Galvenā ideja šeit ir tāda, ka daži dati ir svarīgāki par citiem, lai noteiktu galīgo 3-D struktūru. Tātad, atrodot veidu, kā koncentrēties uz tiem, process var ievērojami paātrināties.

Brubaker un co ir atraduši tieši šādu pieeju. Izrādās, ka lielas molekulas, kas sastingušas plānās plēvītēs, gandrīz vienmēr nonāk uz sāniem. Tāpēc ēnu diagrammas gandrīz vienmēr parāda molekulas šajā pozā, nevis stāv uz galvas vai apakšas.

Šo zināšanu iekļaušana algoritmā dramatiski palielina ātrumu, ar kādu tās nosēžas uz potenciālu 3-D struktūru, jo tas var ignorēt iespēju, ka attēlos ir redzama molekula no augšas vai apakšas.

Iegūtais uzlabojums ir milzīgs. Tas noved pie 100 000 reižu vai vairāk ātruma, ļaujot modernā darbstacijā noteikt struktūras vienas dienas laikā, saka Brubaker un co.

Komanda turpina demonstrēt savu tehniku, izmantojot divu labi zināmu biomolekulu ēnu diagrammas. Pirmā datu kopa sastāv no vairāk nekā 46 000 attēliem ar lielu transmembrānu molekulu, ko sauc par ATP sintāzi no thermus thermophilus baktērijas. Otrais sastāv no gandrīz 6000 liellopu mitohondriju ATP sintāzes attēliem.

Komanda arī sintezēja trešo datu kopu, ņemot 40 000 nejaušu GroEL-GroES-(ADP)7 ēnu gramu, biomolekulu ar zināmu struktūru. Pēc tam viņi izmantoja savu algoritmu, lai strādātu atpakaļ, lai atjaunotu sākotnējo struktūru.

Visbeidzot, komanda salīdzina savu pieeju ar citiem modernākajiem modeļiem un parāda, ka jaunais algoritms ievērojami pārspēj šīs standarta metodes.

Tas ir iespaidīgs rezultāts, kas var dramatiski mainīt ainavu molekulārajiem biologiem, kuri gadiem ilgi ir cīnījušies, lai atrastu uzticamas jaunas metodes lielu biomolekulu struktūras noteikšanai.

Šķiet, ka elektronu krimikroskopija uzņemsies šo lomu. Un šī tehnika, visticamāk, uzlabosies, jo turpmākajos gados uzlabosies šīs mikroskopijas formas izšķirtspēja.

Atsauce: a rxiv.org/abs/1504.03573 : proteīnu veidošanās vienā dienā: efektīva 3-D molekulārā rekonstrukcija

paslēpties