Proteiner är livets byggstenar och biologiska ämnen. De är drivkrafter för tillväxt och utveckling och spridningen av virus och bakterier, och har nyckelroller i sjukdomsvägar och praktiskt taget alla cellulära funktioner. När forskare får kunskap om proteiner, mekanismerna bakom biologiska mysterier avslöjas.

För att hjälpa till att belysa hur proteiner fungerar, Virginia Commonwealth University-forskaren Lukasz Kurgan, Ph.D., vice ordförande för datavetenskapsavdelningen vid Tekniska Högskolan, har utvecklat en serie bioinformatikprogram för att hjälpa biologer att utveckla insikter om funktionerna hos proteiner som är naturligt störda. Denna grupp av proteiner saknar en fast struktur, vilket innebär att de är helt eller delvis flexibla och amorfa.

Under de senaste decennierna, forskare har sekvenserat 85 miljoner unika proteiner, strukturerade och ostrukturerade lika, men vet fortfarande inte vad de allra flesta av dessa proteiner gör. När fler proteiner upptäcks, mer sofistikerade datorprogram måste utvecklas för att hjälpa till att bestämma deras funktioner.

"Vi har manuellt kurerat men förstår mindre än 1 procent av dessa proteiner, och just nu finns det över 80 miljoner att lösa, sa Kurgan, en Qimonda-begåvad professor och datavetare. "Ett program kan lösa dessa proteiner snabbare än en enda människa och kan hjälpa forskare att påskynda hypotesgenereringen."

Lösa pusslet

Att bestämma ett proteins funktion blir ännu mer utmanande när ett protein är helt eller delvis störd. När ett protein har en definierad struktur, forskare använder förkunskaper och bioinformatikprogram för att först dechiffrera den strukturen, som sedan hjälper till att bestämma funktionen. Om proteinet är stört, biologer vänder sig till program byggda av Kurgan och andra datavetare som använder prediktiva modeller för att generera fungerande hypoteser om proteinets funktion.

Sedan 2008, Kurgan har utvecklat fyra program för detta ändamål. I vår, hans lag belönades med en $500, anslag 000 alltifrån den nationella vetenskapsgrunden till utvecklar därpå följande program. Än så länge, Kurgans program har mer än 7, 000 användare från mer än 1, 300 städer i 96 länder.

Kurgan har också utvecklat sex program som avgör om ett protein är stört eller inte. Under 2012, hans MFDp-program rankades på tredje plats av 28 deltagare i det tvååriga världsomspännande CASP10-experimentet, som utvärderar effektiviteten hos dator- och mänskliga prediktorer för inneboende störning. Under 2014, Kurgans labb släppte DisoRDPbind, det första programmet för att förutsäga flera funktioner hos proteiner som är inre störda.

Kurgans program använder befintliga samlingar av data om proteiner vars funktioner har fastställts för att bygga prediktiva modeller för att kartlägga funktionerna hos okända i sig störda proteiner.

"Detaljerna är inte lätta. Att bygga dessa modeller kräver lite konst, teori och erfarenhet, sa Kurgan.

Nya idéer för oordning

Det är ett allmänt accepterat faktum bland forskare att störda proteiner, liknande deras strukturerade motsvarigheter, ha väsentliga funktioner. Detta påstående möttes först av misstro, som till en början är vanligt med många vetenskapliga upptäckter.

"Omkring 30 år sedan, när störda proteiner upptäcktes, det fanns många förnekare. Vissa människor sa att detta bara är brus i proteinstrukturerna, " sa Kurgan. "Nu, störning som en mekanism för biologi är ett accepterat faktum. Bara för att ett protein inte har någon definierad struktur, betyder inte att det är värdelöst. Det fungerar bara på ett annat sätt."

Nu, dechiffreringsstörning är ett samarbete inom forskarsamhället, och olika program från flera enheter samlas för att tillhandahålla olika tillvägagångssätt för att bestämma funktionerna hos störda proteiner. Kurgan har arbetat med forskare från University of South Florida, Indiana University, och Tianjin och Nankai universitet i Kina, på en studie som använde hans program för att upptäcka förekomsten av inneboende störning hos nära 1, 000 arter från livets alla riken. Flera andra samarbetsstudier har fokuserat på de funktionella rollerna av inneboende störning i HIV, Hepatit C och denguevirus.

"Tillsammans kan vi tänja på gränserna för vad som görs, ", sa Kurgan. "Det är inte baserat på ansträngningar från en specifik forskare eller grupp. Tillsammans hjälper vi varandra."