O čom je Rosetta...
Napísané: Po Jan 26, 2009 11:40 pm
Bielkoviny, jeden zo štyroch základných bioelementov bunky, bielkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy a tuky. Bielkoviny plnia v organizme mnohoraké úlohy a to vďaka premyslenému systému kódovania, z ktorého vyplýva, že existuje množstvo bielkovín skladajúcich sa z 20 aminokyselín a odlišujúcich sa primárnou, sekundárnou, terciárnou a kvartérnou štruktúrou. To má za následok mnohoraké funkcie. Pochopeniu funkcii vyplývajúcich z štruktúry nám pomôže poodhaliť, okrem iného, príčiny a spôsoby liečby niektorých ochorení...
Bielkoviny sú kódované tripletmi nachádzajúce sa na informačnej mRNA, ktorá vzniká v procese transkripcie z DNA. V procese translácie sa na ribozómoch syntetizuje bielkovina z α-aminokyselín (ďalej AK). Na informačnú mRNA sa komplementárne naviaže transportná tRNA s antikodónom, nesúca určitú AK do polymerizačnej reakcie vznikajúceho proteínu. Pritom sa spájajú peptidovími väzbami. V princípe triplety determinujú konkrétne AK a tým stoja za vznikom genetického kódu. Na ňom zase stojí a padá genetika. Preto len malá zmena v triplete môže do bielkoviny zaradiť inú AK a tým spôsobiť ochorenie, napríklad kosáčikovitú anémiu. Veľmi pozvoľna sa dostávam do jadra problému, ktorému som venoval článok.
Poradie AK v bielkovine tvoria primárnu štruktúru, ktorá z funkčného hľadiska determinuje ďalšie konformácie a tým aj konečnú funkciu v bunke a jej celkovú stabilizáciu. Kým primárna štruktúra je postavená na pevných kovalentných väzbách, v ostatných zohrávajú dôležitú úlohu energeticky slabé interakcie ako vodíkové mostíky, Van der Waalsové a disulfidové väzby, hydrofóbne a hydrofilné interakcie. Tieto interakcie poskytujú postranné reťazce AK, tie sú nositeľmi určitých elektrochemických vlastností každej AK. Postranné reťazce môžu byť kyslé, bázické, alifatické, aromatické, obsahujúce –OH alebo –SH skupinu. Tieto postranné skupiny sú dôležité až pri terciárnej štruktúre, ktorú opíšem neskôr. Chrbticu bielkovín tvoria práve vodíkové mostíky a nie medzi postrannými reťazcami ale medzi karbonylovým kyslíkom a vodíkom aminoskupiny obsiahnutých v peptidovej väzbe.
Tá chrbtica je prvá dôležitá stabilizácia ako usporiadanie primárneho poradia AK do priestorovej štruktúry: α-helix, β-skladaný list a β-ohyb, tj. sekundárna štruktúra. Pri tomto usporiadaní postranné reťazce vytŕčajú do priestoru, kolmo na os helixu. Konkrétne, α-helix je pravotočivá špirála vznikajúca vodíkovým spojením karbonylovej skupiny jednej AK a aminovej skupiny s vodíkom predchádzajúcej štvrtej AK v jednej časti reťazca. Tieto mostíky sú rovnobežné s osou helixu. Ak sa v sekvencii nachádzajú AK prolín, glycín a tyronín nastáva porušenie helixu, tieto AK sa nedokážu zaradiť do závitnice. β-ohyb vzniká vodikovým mostíkom medzi karbonylovým uhlíkom jednej AK a amidovým vodíkom tretej AK. Je to vlastne otočenie bielkovinového reťazca o 180°. Dosiahnu sa tak dva paralelné časti reťazca, ktoré sa zase môžu navzájom spojiť medzi kyslíkom a vodíkom obdobne ako pri predchádzajúcich štruktúrach. Takto sa vytvára štruktúra β-skladaného listu.
Pri vyššom stupni usporiadanosti hrajú dôležitú úlohu už spomínané postranné reťazce AK. Základný reťazec pozostávajúci z α a β štruktúr sa ďalej v priestore modeluje a vytvára konečnú fibrilárnu (vláknitú) alebo globulárnu (klbkovitú) formu bielkoviny nazývaná ako terciárna štruktúra. Postranné reťazce sa vo vodnom prostredí na základe elektrochemických vlastností interagujú s cieľom vytvoriť nízkoenergetickú a stabilnú formu. To znamená použitie čo najväčšieho množstva energie na denaturáciu, rozrušenie, bielkoviny. Navyše sa môžu jednotlivé bielkoviny spájať ako podjednotky do zložitejších komplexov dvoch a viacerých proteínov, takzvanej kvartérnej štruktúry. Napríklad inzulín pozostáva z A-reťazca (21 AK) a B-reťazca (30 AK) alebo hemoglobín sa skladá z dvoch α a dvoch β podjednotiek.
Tieto štruktúry determinujú určité funkčné vlastnosti na základe fyzikálnych a chemických vlastností. Medzi fyzikálne patrí napríklad aj rozpustnosť. Fibrilárne sú vo vode nerozpustné a plnia najmä mechanickú funkciu, keratín (nechty, vlasy), kolagén (chrupavky, šľachy), fibrín (hemokoagulácia), aktín, myozín a tropomyozín (svaly). Globulárne sú vo vode rozpustné a preto sú aj dôležité pri energetickom metabolizme bunky (70% objemu tela tvorí vodné prostredie), transportná (hemoglobín) stavebná a transportná (membránové bielkoviny) signálna (hormóny a receptory) obranná (globulíny) osmotická (albumíny), katalytická (enzýmy) funkcia, atď. Chemické vlastnosti určujú takzvané aktívne miesta (miesto) proteínu, vpodstate určuje spôsob interakcie s inými molekulami a iónmi. Toto miesto sa vyskytuje pri enzýmoch. Je to špecifické poradie AK, odhalené miesto ostatnými časťami bielkoviny aby bol možný prístup, napríklad, substrátu. Určité sekvencie AK môžu viazať ióny alebo nízkomolekulové látky (napr. vitamíny) ako kofaktory enzýmov alebo pre iný účel. Napríklad v hemoglobíne je naviazaný ión Fe2+, alebo relaxačná bielkovina torponín má aktívne miesto pre Ca2+ a následnou zmenou konformácie tropomyozínu umožní sťah svalu.
Medzi najdôležitejšie proteíny patria práve enzýmy. Majú úlohu takzvaných biokatalyzátorov. To znamená urýchľujú chemické reakcie v bunke, ktoré by za normálnych okolnosti buď neprebiehali vôbec alebo veľmi pomaly, pričom z reakcie vychádzajú v nezmenenej forme. Môžu pôsobiť pri katabolických procesoch (rozkladných, štiepenie polymérov a jednoduchých molekúl pri uvoľnení energie) alebo anabolicky (tvorba polymérov a jednoduchých molekúl za dodanie energie). Umožňujú normálny chod bunky od reparačných mechanizmov, tvorba bunečných štruktúr po uvoľňovanie energie pri metabolizme a rozklad štruktúr v bunke. Na ich správnom fungovaní závisí životaschopnosť bunky. Práve poznanie funkčných vlastností a poznanie ich "pohybovej" aktivity, teda poznanie postupnosti chemických reakcii krok po kroku (reparácia DNA) nám uľahčí objavovanie liekov na mnohé choroby. Umožní nám vytvoriť liek na mieru.
Túto časť článku by som nazval ako stručný úvod do biochémie proteínov, ich genéza a funkcie v bunke. Teraz by som sa prehupol do druhej časti a to do počítačovej simulácie, ktorú nám poznanie predošlých vecí pomôže pochopiť.
Aj tie najjednoduchšie procesy sú strašne zložité a nie to ešte niečo ako reparácia DNA DNA-polymerázou. Tento enzým umožňuje opraviť poškodenú DNA, znovu nasyntetizovať správnu sekvenciu nukleotidov a tým napríklad opraviť alebo obnoviť tvorbu dôležitého proteínu, ktorý tam bol pôvodne kódovaný. Môže sa stať, že takto poškodená, neopravená bunka sa bude neobmedzene množiť (bez adhéznej aktivácie a kontaktnej inhibície) a môže vytvárať benígne (nezhubné) alebo malígne (zhubne) nádory. Však viete ako dokážu zničiť život a určite chápete úsilie ju liečiť bez drastických liečebných postupov akou je chemoterapia a ožarovanie. Môžem s čistým svedomím povedať, že rakovinové bunky doslova vyciciavajú život zo zdravých buniek. Tu nám prichádza na pomoc počítačová simulácia. Práve ona nám dokáže objasniť prirodzené reparačné procesy, ktoré môžeme využiť pri tvorbe liekov, prakticky umelo pripravených účinných reparačných enzýmov.
Tieto reparačné enzýmy sú veľmi zložité komplexy. Ich úlohou je skenovať DNA, nájsť poškodené miesto, opraviť ho a znovu pokračovať v skenovaní. Problém nastáva pri otázke: Ako to funguje? Akým spôsobom deteguje porušenie, aké aktívne miesta enzýmu sú pri tom dôležité, ako sa pohybuje po molekule DNA, ako prinesie nukleotid na opravu, na akej časti a ako je prichytený, ako sa zabezpečí naviazanie DNA a nukleotidu, atď. Vidíte, že to vôbec nie je jednoduché. Všetky tieto interakcie ako detegovanie, naviazanie, prinesenie a opravenie priamo závisia od štruktúry proteínu. Práve tej štruktúry, ktorá je opisovaná na začiatku. Vlastne celá táto "operácia" je synchronizovaný pohyb nízkoenergetických interakcii. V princípe aj celkový život organizmu a bunky samotnej je len chémia slabých interakcii. No keď poznáme silové pôsobenie týchto interakcií môžeme na základe toho napísať algoritmus, podľa ktorého bude počítač pracovať na simulácii. Potom sa do programu nahádžu priami a nepriami aktéri (DNA, enzýmy, voda, iónové zloženie karyoplazmy...). Na výstupe môžeme sledovať krok po kroku celú "policajnú operáciu" týchto enzýmov. Zistime odpovede na vyššie položené otázky, tieto len zas môžeme použiť pri vývoji liekov. Dúfam, že si uvedomujete, že tento proces je náročný na výkon počítača a od jeho rýchlosti závisí ako rýchlo budeme mať výsledky. Za predpokladu, že máme dobrý algoritmus.
Teraz prejdeme k tomu ako aj Vy môžete pri tomto pomôcť a byť priamo zapojený vo výskume. V súčastnosti potrebujeme v prvom rade poznať funkcie proteínu a to zistíme na základe primárnej štruktúry, ktorá sa premietne do konečnej priestorovej a stabilnej terciárnej/kvartérnej štruktúry. Človek pozná funkcie len obmedzeného množstva proteínov. Ale dokážeme si pomocou DNA proteín nasyntetizovať a pomocou známych interakcií nasimulovať tvar, teda aj virtuálne študovať ich funkciu a neskôr aj správanie sa v konkrétnych podmienkach za konkrétnej situácie. Vyrieši to problém, že pri podmienkach in vivo a in vitro je to veľmi obtiažné a prakticky nemožné priamo pozorovať. Na druhej strane na nasimulovanie nejakého proteínu potrebujeme veľký počítačový výkon, to sme znova pri klasickom probléme: nedostatok financií na vytváranie a prevácku superpočítačov. Navyše k tomu, obtiažnosť simulácie geometricky narastá s veľkosťou proteínu, počtom AK v reťazci a veľkosťou systému. Čiže kde budeme simulovať? Na akých počítačoch? Je to síce beh na dlhé trate, ale musíme niekde niekde začať a vyštartovať aby sme podbehli bližšie k vytúženému cieľu.
Kto chce hľadá spôsob a kto nechce hľadá dôvod. Niekto veľmi chcel a využil rozšírenie internetu medzi bežnými ľuďmi. Vznikol gird systém BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing / Otvorená infraštukrúra pre sieťové výpočty z Berkeley) Históriou vzniku sa nejdem zaoberať, teraz je to nepodstatné. Ale čo je podstatné, že je to program ktorý môže spracovávať rôzne vedecké časovo a výkonovo náročné výpočty, využívajúci dobrovoľne poskytnuté zdroje počítačov pripojených na internet. Rosetta@Home ja jeden z mnohých projektov využívajúcich túto sieť užívateľov.
Čo je prvoradou úlohou Rosetty? Zaoberá sa foldingom (modelovaním) proteínov do terciárnej štruktúry a spájaním do kvartérnej štruktúry spôsobom opísaním vyššie. Ako východiskové údaje stačia atómy nachádzajúce sa v reťazci AK, ostatné je len matematika, vďaka bohu, že energiu nemusíme počítať ručne, na to máme projekty podobné Rosette. Takže celkovým modelovaním proteínu sa snažíme nájsť najstabilnejšiu konformáciu. Inými slovami povedané stav s čo najnižšou vnútornou energiou. Teda po skončení budeme mať pred sebou proteín vhodný na ďalšie spracovanie a študovanie vedcami, ktorým takto pomôžeme dostať zhluk atómov do reálno-virtuálnej viditeľnej podoby. Už nie sú odkázaný na schematické pozorovania "priamo" "neviditeľného" proteínu v skúmavke. Dá sa aj simulovať vzťah k nejakým iónom (Zn2+) ako kofaktorom alebo aktivátorom enzýmu. Navyše Rosetta počtárom vizuálne ukáže screen, kde je ukázaná štruktúra pre ktorú sa v tom momente počíta energetický stav. Názorné ukážky:
Program nie je dokonalý, však ho písal človek, ale rosetta sa stále zdokonaľuje čo značne urýchľuje a tvorí korektné výsledky. Aj preto sa berú do úvahy konformácie vytvorené viacerými programami. Po tomto procese je hotový proteín uložený do databanky, voľne prístupnej vedcom, vlastne aj nám. A celkový výkon? U Rosetty to činí 86 TeraFLOPS a systém BOINC produkuje 1,3 PetaFLOPS, teda 1 300 TeraFLOPS (26. 01. 2009).
Výsledky? Aj Tu (CASP8) si môžete pozrieť aktuálne nasimulované proteíny (nielen Rosetty ale aj iných techník a spôsobov modelovania). Pomocou programu PyMOL si môžete pozrieť 3D štruktúru tej ktorej konkrétnej bielkoviny. Ukážem príklad nejakého porovnania:
Zaujalo Vás to? Chcete sa pripojiť? Hľadáte spôsoby a nie dôvody? Je načase pozrieť návod v mojich predošlých článkoch a na http://boinc.sk/ alebo pre pomoc na http://forum.boinc.sk. A žiadne výhovorky o spotrebe, opotrebovaniu a zaťaženiu CPU, všetko sa dá nastaviť podľa potreby každého užívateľa. Keby Vám práve Rosetta nevyhovovala rozsahom a náročnosťou jednotiek, tak na výber sú podobné projekty aj projekty z iných zaujímavých oblastí.
Modelovaniu zdar!!!!
„Kto chce hľadá spôsob a kto nechce hľadá dôvod”
© by OŠO (miloso)
s obrázkami tu http://lassak.blog.sme.sk/c/180470/BOIN ... aHome.html
----
----
----
čo poviete, je to seriózny článok vhodný aj na BOINC web?
Bielkoviny sú kódované tripletmi nachádzajúce sa na informačnej mRNA, ktorá vzniká v procese transkripcie z DNA. V procese translácie sa na ribozómoch syntetizuje bielkovina z α-aminokyselín (ďalej AK). Na informačnú mRNA sa komplementárne naviaže transportná tRNA s antikodónom, nesúca určitú AK do polymerizačnej reakcie vznikajúceho proteínu. Pritom sa spájajú peptidovími väzbami. V princípe triplety determinujú konkrétne AK a tým stoja za vznikom genetického kódu. Na ňom zase stojí a padá genetika. Preto len malá zmena v triplete môže do bielkoviny zaradiť inú AK a tým spôsobiť ochorenie, napríklad kosáčikovitú anémiu. Veľmi pozvoľna sa dostávam do jadra problému, ktorému som venoval článok.
Poradie AK v bielkovine tvoria primárnu štruktúru, ktorá z funkčného hľadiska determinuje ďalšie konformácie a tým aj konečnú funkciu v bunke a jej celkovú stabilizáciu. Kým primárna štruktúra je postavená na pevných kovalentných väzbách, v ostatných zohrávajú dôležitú úlohu energeticky slabé interakcie ako vodíkové mostíky, Van der Waalsové a disulfidové väzby, hydrofóbne a hydrofilné interakcie. Tieto interakcie poskytujú postranné reťazce AK, tie sú nositeľmi určitých elektrochemických vlastností každej AK. Postranné reťazce môžu byť kyslé, bázické, alifatické, aromatické, obsahujúce –OH alebo –SH skupinu. Tieto postranné skupiny sú dôležité až pri terciárnej štruktúre, ktorú opíšem neskôr. Chrbticu bielkovín tvoria práve vodíkové mostíky a nie medzi postrannými reťazcami ale medzi karbonylovým kyslíkom a vodíkom aminoskupiny obsiahnutých v peptidovej väzbe.
Tá chrbtica je prvá dôležitá stabilizácia ako usporiadanie primárneho poradia AK do priestorovej štruktúry: α-helix, β-skladaný list a β-ohyb, tj. sekundárna štruktúra. Pri tomto usporiadaní postranné reťazce vytŕčajú do priestoru, kolmo na os helixu. Konkrétne, α-helix je pravotočivá špirála vznikajúca vodíkovým spojením karbonylovej skupiny jednej AK a aminovej skupiny s vodíkom predchádzajúcej štvrtej AK v jednej časti reťazca. Tieto mostíky sú rovnobežné s osou helixu. Ak sa v sekvencii nachádzajú AK prolín, glycín a tyronín nastáva porušenie helixu, tieto AK sa nedokážu zaradiť do závitnice. β-ohyb vzniká vodikovým mostíkom medzi karbonylovým uhlíkom jednej AK a amidovým vodíkom tretej AK. Je to vlastne otočenie bielkovinového reťazca o 180°. Dosiahnu sa tak dva paralelné časti reťazca, ktoré sa zase môžu navzájom spojiť medzi kyslíkom a vodíkom obdobne ako pri predchádzajúcich štruktúrach. Takto sa vytvára štruktúra β-skladaného listu.
Pri vyššom stupni usporiadanosti hrajú dôležitú úlohu už spomínané postranné reťazce AK. Základný reťazec pozostávajúci z α a β štruktúr sa ďalej v priestore modeluje a vytvára konečnú fibrilárnu (vláknitú) alebo globulárnu (klbkovitú) formu bielkoviny nazývaná ako terciárna štruktúra. Postranné reťazce sa vo vodnom prostredí na základe elektrochemických vlastností interagujú s cieľom vytvoriť nízkoenergetickú a stabilnú formu. To znamená použitie čo najväčšieho množstva energie na denaturáciu, rozrušenie, bielkoviny. Navyše sa môžu jednotlivé bielkoviny spájať ako podjednotky do zložitejších komplexov dvoch a viacerých proteínov, takzvanej kvartérnej štruktúry. Napríklad inzulín pozostáva z A-reťazca (21 AK) a B-reťazca (30 AK) alebo hemoglobín sa skladá z dvoch α a dvoch β podjednotiek.
Tieto štruktúry determinujú určité funkčné vlastnosti na základe fyzikálnych a chemických vlastností. Medzi fyzikálne patrí napríklad aj rozpustnosť. Fibrilárne sú vo vode nerozpustné a plnia najmä mechanickú funkciu, keratín (nechty, vlasy), kolagén (chrupavky, šľachy), fibrín (hemokoagulácia), aktín, myozín a tropomyozín (svaly). Globulárne sú vo vode rozpustné a preto sú aj dôležité pri energetickom metabolizme bunky (70% objemu tela tvorí vodné prostredie), transportná (hemoglobín) stavebná a transportná (membránové bielkoviny) signálna (hormóny a receptory) obranná (globulíny) osmotická (albumíny), katalytická (enzýmy) funkcia, atď. Chemické vlastnosti určujú takzvané aktívne miesta (miesto) proteínu, vpodstate určuje spôsob interakcie s inými molekulami a iónmi. Toto miesto sa vyskytuje pri enzýmoch. Je to špecifické poradie AK, odhalené miesto ostatnými časťami bielkoviny aby bol možný prístup, napríklad, substrátu. Určité sekvencie AK môžu viazať ióny alebo nízkomolekulové látky (napr. vitamíny) ako kofaktory enzýmov alebo pre iný účel. Napríklad v hemoglobíne je naviazaný ión Fe2+, alebo relaxačná bielkovina torponín má aktívne miesto pre Ca2+ a následnou zmenou konformácie tropomyozínu umožní sťah svalu.
Medzi najdôležitejšie proteíny patria práve enzýmy. Majú úlohu takzvaných biokatalyzátorov. To znamená urýchľujú chemické reakcie v bunke, ktoré by za normálnych okolnosti buď neprebiehali vôbec alebo veľmi pomaly, pričom z reakcie vychádzajú v nezmenenej forme. Môžu pôsobiť pri katabolických procesoch (rozkladných, štiepenie polymérov a jednoduchých molekúl pri uvoľnení energie) alebo anabolicky (tvorba polymérov a jednoduchých molekúl za dodanie energie). Umožňujú normálny chod bunky od reparačných mechanizmov, tvorba bunečných štruktúr po uvoľňovanie energie pri metabolizme a rozklad štruktúr v bunke. Na ich správnom fungovaní závisí životaschopnosť bunky. Práve poznanie funkčných vlastností a poznanie ich "pohybovej" aktivity, teda poznanie postupnosti chemických reakcii krok po kroku (reparácia DNA) nám uľahčí objavovanie liekov na mnohé choroby. Umožní nám vytvoriť liek na mieru.
Túto časť článku by som nazval ako stručný úvod do biochémie proteínov, ich genéza a funkcie v bunke. Teraz by som sa prehupol do druhej časti a to do počítačovej simulácie, ktorú nám poznanie predošlých vecí pomôže pochopiť.
Aj tie najjednoduchšie procesy sú strašne zložité a nie to ešte niečo ako reparácia DNA DNA-polymerázou. Tento enzým umožňuje opraviť poškodenú DNA, znovu nasyntetizovať správnu sekvenciu nukleotidov a tým napríklad opraviť alebo obnoviť tvorbu dôležitého proteínu, ktorý tam bol pôvodne kódovaný. Môže sa stať, že takto poškodená, neopravená bunka sa bude neobmedzene množiť (bez adhéznej aktivácie a kontaktnej inhibície) a môže vytvárať benígne (nezhubné) alebo malígne (zhubne) nádory. Však viete ako dokážu zničiť život a určite chápete úsilie ju liečiť bez drastických liečebných postupov akou je chemoterapia a ožarovanie. Môžem s čistým svedomím povedať, že rakovinové bunky doslova vyciciavajú život zo zdravých buniek. Tu nám prichádza na pomoc počítačová simulácia. Práve ona nám dokáže objasniť prirodzené reparačné procesy, ktoré môžeme využiť pri tvorbe liekov, prakticky umelo pripravených účinných reparačných enzýmov.
Tieto reparačné enzýmy sú veľmi zložité komplexy. Ich úlohou je skenovať DNA, nájsť poškodené miesto, opraviť ho a znovu pokračovať v skenovaní. Problém nastáva pri otázke: Ako to funguje? Akým spôsobom deteguje porušenie, aké aktívne miesta enzýmu sú pri tom dôležité, ako sa pohybuje po molekule DNA, ako prinesie nukleotid na opravu, na akej časti a ako je prichytený, ako sa zabezpečí naviazanie DNA a nukleotidu, atď. Vidíte, že to vôbec nie je jednoduché. Všetky tieto interakcie ako detegovanie, naviazanie, prinesenie a opravenie priamo závisia od štruktúry proteínu. Práve tej štruktúry, ktorá je opisovaná na začiatku. Vlastne celá táto "operácia" je synchronizovaný pohyb nízkoenergetických interakcii. V princípe aj celkový život organizmu a bunky samotnej je len chémia slabých interakcii. No keď poznáme silové pôsobenie týchto interakcií môžeme na základe toho napísať algoritmus, podľa ktorého bude počítač pracovať na simulácii. Potom sa do programu nahádžu priami a nepriami aktéri (DNA, enzýmy, voda, iónové zloženie karyoplazmy...). Na výstupe môžeme sledovať krok po kroku celú "policajnú operáciu" týchto enzýmov. Zistime odpovede na vyššie položené otázky, tieto len zas môžeme použiť pri vývoji liekov. Dúfam, že si uvedomujete, že tento proces je náročný na výkon počítača a od jeho rýchlosti závisí ako rýchlo budeme mať výsledky. Za predpokladu, že máme dobrý algoritmus.
Teraz prejdeme k tomu ako aj Vy môžete pri tomto pomôcť a byť priamo zapojený vo výskume. V súčastnosti potrebujeme v prvom rade poznať funkcie proteínu a to zistíme na základe primárnej štruktúry, ktorá sa premietne do konečnej priestorovej a stabilnej terciárnej/kvartérnej štruktúry. Človek pozná funkcie len obmedzeného množstva proteínov. Ale dokážeme si pomocou DNA proteín nasyntetizovať a pomocou známych interakcií nasimulovať tvar, teda aj virtuálne študovať ich funkciu a neskôr aj správanie sa v konkrétnych podmienkach za konkrétnej situácie. Vyrieši to problém, že pri podmienkach in vivo a in vitro je to veľmi obtiažné a prakticky nemožné priamo pozorovať. Na druhej strane na nasimulovanie nejakého proteínu potrebujeme veľký počítačový výkon, to sme znova pri klasickom probléme: nedostatok financií na vytváranie a prevácku superpočítačov. Navyše k tomu, obtiažnosť simulácie geometricky narastá s veľkosťou proteínu, počtom AK v reťazci a veľkosťou systému. Čiže kde budeme simulovať? Na akých počítačoch? Je to síce beh na dlhé trate, ale musíme niekde niekde začať a vyštartovať aby sme podbehli bližšie k vytúženému cieľu.
Kto chce hľadá spôsob a kto nechce hľadá dôvod. Niekto veľmi chcel a využil rozšírenie internetu medzi bežnými ľuďmi. Vznikol gird systém BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing / Otvorená infraštukrúra pre sieťové výpočty z Berkeley) Históriou vzniku sa nejdem zaoberať, teraz je to nepodstatné. Ale čo je podstatné, že je to program ktorý môže spracovávať rôzne vedecké časovo a výkonovo náročné výpočty, využívajúci dobrovoľne poskytnuté zdroje počítačov pripojených na internet. Rosetta@Home ja jeden z mnohých projektov využívajúcich túto sieť užívateľov.
Čo je prvoradou úlohou Rosetty? Zaoberá sa foldingom (modelovaním) proteínov do terciárnej štruktúry a spájaním do kvartérnej štruktúry spôsobom opísaním vyššie. Ako východiskové údaje stačia atómy nachádzajúce sa v reťazci AK, ostatné je len matematika, vďaka bohu, že energiu nemusíme počítať ručne, na to máme projekty podobné Rosette. Takže celkovým modelovaním proteínu sa snažíme nájsť najstabilnejšiu konformáciu. Inými slovami povedané stav s čo najnižšou vnútornou energiou. Teda po skončení budeme mať pred sebou proteín vhodný na ďalšie spracovanie a študovanie vedcami, ktorým takto pomôžeme dostať zhluk atómov do reálno-virtuálnej viditeľnej podoby. Už nie sú odkázaný na schematické pozorovania "priamo" "neviditeľného" proteínu v skúmavke. Dá sa aj simulovať vzťah k nejakým iónom (Zn2+) ako kofaktorom alebo aktivátorom enzýmu. Navyše Rosetta počtárom vizuálne ukáže screen, kde je ukázaná štruktúra pre ktorú sa v tom momente počíta energetický stav. Názorné ukážky:
Program nie je dokonalý, však ho písal človek, ale rosetta sa stále zdokonaľuje čo značne urýchľuje a tvorí korektné výsledky. Aj preto sa berú do úvahy konformácie vytvorené viacerými programami. Po tomto procese je hotový proteín uložený do databanky, voľne prístupnej vedcom, vlastne aj nám. A celkový výkon? U Rosetty to činí 86 TeraFLOPS a systém BOINC produkuje 1,3 PetaFLOPS, teda 1 300 TeraFLOPS (26. 01. 2009).
Výsledky? Aj Tu (CASP8) si môžete pozrieť aktuálne nasimulované proteíny (nielen Rosetty ale aj iných techník a spôsobov modelovania). Pomocou programu PyMOL si môžete pozrieť 3D štruktúru tej ktorej konkrétnej bielkoviny. Ukážem príklad nejakého porovnania:
Zaujalo Vás to? Chcete sa pripojiť? Hľadáte spôsoby a nie dôvody? Je načase pozrieť návod v mojich predošlých článkoch a na http://boinc.sk/ alebo pre pomoc na http://forum.boinc.sk. A žiadne výhovorky o spotrebe, opotrebovaniu a zaťaženiu CPU, všetko sa dá nastaviť podľa potreby každého užívateľa. Keby Vám práve Rosetta nevyhovovala rozsahom a náročnosťou jednotiek, tak na výber sú podobné projekty aj projekty z iných zaujímavých oblastí.
Modelovaniu zdar!!!!
„Kto chce hľadá spôsob a kto nechce hľadá dôvod”
© by OŠO (miloso)
s obrázkami tu http://lassak.blog.sme.sk/c/180470/BOIN ... aHome.html
----
----
----
čo poviete, je to seriózny článok vhodný aj na BOINC web?