Les globules rouges sont incroyables. Ils captent l'oxygène de nos poumons et le transportent dans tout notre corps pour nous maintenir en vie. La molécule d'hémoglobine dans les globules rouges transporte l'oxygène en changeant de forme de façon tout ou rien. Quatre copies de la même protéine dans l'hémoglobine s'ouvrent et se ferment comme des pétales de fleurs, structurellement couplés pour se répondre. À l'aide de supercalculateurs, les scientifiques commencent tout juste à concevoir des protéines qui s'auto-assemblent pour se combiner et ressembler à des molécules vitales comme l'hémoglobine. Les scientifiques disent que leurs méthodes pourraient être appliquées à des technologies utiles telles que le ciblage pharmaceutique, récupération d'énergie artificielle, matériaux de détection et de construction « intelligents », et plus.

Une équipe scientifique a fait ce travail en suralimentant des protéines, ce qui signifie qu'ils ont changé les sous-unités des protéines, les acides aminés, donner aux protéines une charge positive ou négative artificiellement élevée. En utilisant des protéines dérivées de méduses, les scientifiques ont pu assembler une structure complexe de seize protéines composée de deux octamères empilés par suralimentation seule, résultats qui ont été rapportés en janvier 2019 dans le journal Chimie de la nature .

L'équipe a ensuite utilisé des simulations de superordinateurs pour valider et informer ces résultats expérimentaux. Les allocations de supercalculateurs sur Stampede2 au Texas Advanced Computing Center (TACC) et Comet au San Diego Supercomputer Center (SDSC) ont été attribuées aux chercheurs via XSEDE, l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment financé par la National Science Foundation (NSF).

"Nous avons découvert qu'en prenant des protéines qui n'interagissent normalement pas entre elles, nous pouvons faire des copies très chargées positivement ou très négativement, " a déclaré Anna Simon, co-auteur de l'étude, chercheur postdoctoral au Ellington Lab de l'UT Austin. "Combinant les copies fortement chargées positivement et négativement, nous pouvons faire assembler les protéines en assemblages structurés très spécifiques, " a déclaré Simon. Les scientifiques appellent leur stratégie 'assemblage de protéines suralimentées, ' où ils entraînent des interactions protéiques définies en combinant des variantes suralimentées conçues.

"Nous avons exploité un principe très connu et basique de la nature, que les charges opposées s'attirent, " a ajouté le co-auteur de l'étude, Jens Glaser. Glaser est chercheur scientifique adjoint au groupe Glotzer, Département de génie chimique de l'Université du Michigan. "Le groupe d'Anna Simon a découvert que lorsqu'ils mélangent ces variantes chargées de la protéine fluorescente verte, ils obtiennent des structures très ordonnées. C'était une vraie surprise, " dit Glaser.

La structure d'octamères empilés ressemble à un anneau tressé. Il est composé de 16 protéines - deux anneaux de huit entrelacés qui interagissent de manière très spécifique, patchs discrets. « La raison pour laquelle il est si difficile de concevoir des protéines qui interagissent de manière synthétique est que créer ces patchs interactifs et les aligner tous correctement de manière à permettre aux protéines de s'assembler en plus gros, les structures régulières sont vraiment difficiles, " a expliqué Simon. Ils ont contourné le problème en ajoutant de nombreuses charges positives et négatives pour concevoir des variantes de la protéine fluorescente verte (GFP), une protéine de « souris de laboratoire » bien étudiée, dérivée de la méduse Aequorea victoria.

La protéine chargée positivement, qu'ils ont appelé la protéine fluorescente céruléen (Ceru) +32, eu des opportunités supplémentaires d'interagir avec la protéine chargée négativement GFP -17. "En donnant à ces protéines toutes ces opportunités, ces différents lieux où ils pourraient potentiellement interagir, ils ont su choisir les bons, " a dit Simon. " Il y avait certains modèles et interactions qui étaient là, disponible, et énergétiquement favorisé, que nous n'avions pas nécessairement prédit à l'avance qui leur permettrait de s'assembler dans ces formes spécifiques."

Pour obtenir les protéines fluorescentes chargées modifiées, Simon et ses co-auteurs Arti Pothukuchy, Jimmy Gollihar, et Barrett Morrow ont codé leurs gènes, y compris une étiquette chimique utilisée pour la purification sur des morceaux portables d'ADN appelés plasmides dans E. coli, puis récolté la protéine marquée que E. coli s'est développée. Les scientifiques ont mélangé les protéines ensemble. Ils pensaient initialement que les protéines pourraient simplement interagir pour former de grandes, touffes irrégulièrement structurées. "Mais alors, ce que nous avons continué à voir était ce bizarre, pic amusant autour de 12 nanomètres, c'était beaucoup plus petit qu'un gros bloc de protéines, mais nettement plus gros que la seule protéine, " dit Simon.

Ils ont mesuré la taille des particules qui se sont formées à l'aide d'un instrument Zetasizer au Texas Materials Institute de l'UT Austin, et vérifié que les particules contenaient à la fois des protéines céruléens et GFP Förster Resonance Energy Transfer (FRET), qui mesure le transfert d'énergie entre différentes protéines fluorescentes colorées produit une fluorescence en réponse à différentes énergies lumineuses pour voir si elles sont proches les unes des autres. La microscopie électronique à coloration négative a identifié la structure spécifique des particules, dirigé par le groupe de David Taylor, professeur adjoint de biosciences moléculaires à l'UT Austin. Il a montré que la particule de 12 nm consistait en un octamère empilé composé de seize protéines. "Nous avons découvert qu'il s'agissait de ces structures ressemblant à des fleurs magnifiquement formées, ", a déclaré Simon. Le co-auteur Yi Zhou du groupe de Taylor de l'UT Austin a augmenté la résolution encore plus loin en utilisant la microscopie cryoélectronique pour révéler les détails au niveau atomique de l'octamère empilé.

La modélisation informatique a affiné les mesures de la façon dont les protéines étaient arrangées pour obtenir une image claire du beau, structure en forme de fleur, selon Jens Glaser. "Nous avons dû proposer un modèle suffisamment complexe pour décrire la physique des protéines fluorescentes vertes chargées et présenter tous les détails atomistiques pertinents, était pourtant suffisamment efficace pour nous permettre de simuler cela sur une échelle de temps réaliste. Avec un modèle entièrement atomiste, il nous aurait fallu plus d'un an pour sortir une seule simulation de l'ordinateur, quelle que soit la vitesse de l'ordinateur, " dit Glaser.

Ils ont simplifié le modèle en réduisant la résolution sans sacrifier les détails importants des interactions entre les protéines. "C'est pourquoi nous avons utilisé un modèle où la forme de la protéine est exactement représentée par une surface moléculaire, tout comme celui qui est mesuré à partir de la structure cristallographique de la protéine, " ajouta Glaser.

"Ce qui nous a vraiment aidés à renverser la vapeur et à améliorer ce que nous avons pu tirer de nos simulations, ce sont les données cryo-EM, " dit Vyas Ramasubramani, un étudiant diplômé en génie chimique à l'Université du Michigan. "C'est ce qui nous a vraiment aidé à trouver la configuration optimale à mettre dans ces simulations, ce qui nous a ensuite permis de valider les arguments de stabilité que nous faisions, et, espérons-le, à l'avenir, faire des prédictions sur les moyens de déstabiliser ou de modifier cette structure, " a déclaré Ramasubramani.

Les scientifiques ont eu besoin de beaucoup de puissance de calcul pour effectuer les calculs à l'échelle qu'ils voulaient.

« Nous avons utilisé XSEDE pour prendre ces énormes systèmes, où vous avez beaucoup de pièces différentes qui interagissent les unes avec les autres, et calculez tout cela à la fois de sorte que lorsque vous commencez à faire avancer votre système pendant un semblant de temps, vous pourriez avoir une idée de la façon dont cela allait évoluer sur des échelles de temps un peu réelles, " a déclaré Ramasubramani. " Si vous essayez de faire le même genre de simulation que nous avons fait sur un ordinateur portable, il aurait fallu des mois, voire des années, pour vraiment comprendre si une sorte de structure serait stable ou non. Pour nous, ne pas pouvoir utiliser XSEDE, où vous pourriez utiliser essentiellement 48 cœurs, 48 unités de calcul à la fois pour rendre ces calculs hautement parallèles, nous aurions fait cela beaucoup plus lentement."

Le supercalculateur Stampede2 du TACC en contient 4, 200 Intel Knights Landing et 1, 736 nœuds de calcul Intel Skylake X. Chaque nœud Skylake a 48 cœurs, l'unité de base d'un processeur informatique. "Les nœuds Skylake du supercalculateur Stampede2 ont contribué à atteindre les performances nécessaires pour calculer ces interactions électrostatiques qui agissent entre les protéines de charge opposée de manière efficace, " Glaser said. "The availability of the Stampede2 supercomputer was at just the right point in time for us to perform these simulations."

Initialement, the science team tested their simulations on the Comet system at the SDSC. "When we were first figuring out what kind of model to use and whether this simplified model would give us reasonable results, Comet was a great place to try these simulations, " Ramasubramani said. "Comet was a great testbed for what we were doing."

Looking at the bigger scientific picture, the scientists hope that this work advances understanding of why so many proteins in nature will oligomerize, or join together to form more complex and interesting structures.

"We showed that there doesn't need to be a very specific, pre-distinguished set of plans and interactions for these structures to form, " Simon said. "This is important because it means that maybe, and quite likely we can take other sets of molecules that we want to make oligomerize and generate both positively charged and negatively charged variants, combine them, and have specifically ordered structures for them."

Natural biomaterials like bone, feathers, and shells can be tough yet lightweight. "We think supercharged protein assembly is an easier way to develop the kind of materials that have exciting synthetic properties without having to spend so much time or having to know exactly how they're going to come together beforehand, " Simon said. "We think that will accelerate the ability to engineer synthetic materials and for discovery and exploration of these nanostructured protein materials."

L'étude, "Supercharging Enables Organized Assembly of Synthetic Biomolecules, " was published in the journal Chimie de la nature in January of 2019.