在擁擠的細胞環(huán)境中的奇怪行為
來自RIKEN和密歇根州立大學的一組研究人員使用功能強大的K計算機來展示分子如何在極其擁擠的細菌細胞內部移動。體外研究 - 在試管中進行的研究 - 讓我們非常了解分子如何相互作用。然而,對于它們如何在體內 - 在實際細胞中相互作用 - 知之甚少,因為由于擁擠,它們可以基于難以在試管中建模的方式起作用。大約70%的細胞質由水組成,剩下的30%由大分子組成,如核糖體,生物分子如蛋白質和DNA,代謝物如ATP和氨基酸,以及離子。
對于在eLife上發(fā)表的研究,該小組模擬了已知最小的細菌 - 生殖支原體的內部 - 其長度約為400納米 - 一納米是十億分之一米 - 并動態(tài)模擬細胞內約一萬億個原子,使這成為迄今為止進行的最大的分子動態(tài)模擬之一。模擬用GENESIS進行,GENESIS是RIKEN開發(fā)的大規(guī)模平行分子動力學程序。盡管超級計算機的強大功能,計算使用了K計算機的65,536個處理核心,但仍需要幾個月才能完成。
該研究的結果質疑了流行的假設,即在擁擠的細胞環(huán)境中,分子之間的相互作用主要受稱為“體積排斥效應”的現(xiàn)象所控制,這意味著分子獨占一定體積的溶劑 - 在此案例水 - 在他們周圍的解決方案,防止其他分子占據(jù)該空間。相反,模擬發(fā)現(xiàn)其他相互作用 - 例如帶電分子之間的靜電 - 起主要作用。
該研究的第一作者RIKEN iTHES的Isseki Yu說:“這項工作向我們證明了體外條件和細胞內體內條件之間存在重大差異。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超出'體積排斥的相互作用的證據(jù)效應',包括蛋白質 - 蛋白質相互作用以及與離子和代謝物的靜電相互作用。這些需要在解釋體外研究時付諸實施。“
根據(jù)研究團隊的領導人Yuji Sugita表示,“該研究團隊在iTHES以及RIKEN定量生物學中心和RIKEN計算科學高級研究所擁有實驗室”,這項研究使我們更接近模擬a的夢想。這項工作也將有助于藥物開發(fā),因為之前的研究通常研究蛋白質與水中單一候選化合物之間的相互作用?,F(xiàn)在,我們將能夠分析候選化合物與其他化合物之間的相互作用。擁擠的細胞環(huán)境中的分子。“ 杉田繼續(xù)說,“這項研究的一個限制是,由于所需的巨大計算能力,我們只能進行短時間的模擬。我們相信它仍然是準確的,
密歇根州立大學項目負責人Michael Feig也是RIKEN定量生物學中心的負責人,他表示,“這項工作向原型細節(jié)建模整個細胞邁出了一大步,最終將我們連接起來。在分子水平上了解細胞水平的生物學功能。“
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