Nästan ett dussin forskare över Oak Ridge National Laboratory samarbetar med medicinska forskare och utnyttjar ORNL:s största vetenskapliga verktyg för att lösa en modern biologistor utmaning:att låsa upp hemligheterna med oordnade proteiner. Dessa flexibla molekyler tros utgöra så mycket som hälften av proteinerna i människokroppen men är dåligt förstådda eftersom vi inte har hittat ett sätt att på ett adekvat sätt studera deras egenskaper.

Det är först under det senaste decenniet som forskare har kommit att acceptera att allt från en tredjedel till hälften av mänskliga proteiner inte följer den en gång så heliga regeln för molekylärbiologi:proteiner vikas till stabila, tredimensionella former. Istället, oordnade proteiner cirkulerar hela tiden mellan olika former. De är viktiga för cellkretsar, och deras felfunktion är direkt inblandad i sjukdomar som cancer, Alzheimers, kardiovaskulära tillstånd, och diabetes. Att förstå deras komplexa natur kan leda till viktiga nya läkemedelsupptäckter.

I ett labbstyrt forskningsprojekt som lanserades i år, ORNL-forskare kombinerar experiment och simulering i ett försök att bringa klarhet i dessa proteiners inre funktion. Projektet inkluderar medarbetare från Frederick National Laboratory for Cancer Research – sponsrat av National Cancer Institute som en del av National Institutes of Health (NIH).

De inre rörelserna hos störda proteiner gör dem särskilt svåra att karakterisera, noterade Arvind Ramanathan från Computational Science and Engineering Division och Health Data Sciences Institute vid ORNL. Proteinerna trotsar standardverktygen för karakterisering såsom röntgenkristallografi eftersom de motstår att kristalliseras.

"Det är som att ta 2D-bilder av någon från olika riktningar och plötsligt blir du ombedd att göra en 3D-rendering av den personen, " sa Ramanathan.

"Föreställ dig nu om den personen hoppar runt. Du kommer att få många konstiga funktioner i den renderingen och vissa delar av den kan till och med försvinna, ", sa huvudutredaren Hugh O'Neill från Neutron Scattering Division.

Forskarna kommer att använda neutronspridning vid Spallation Neutron Source vid ORNL och kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) bilder från Frederick National Laboratory för att ge en bra uppskattning av hur partiklarna ser ut i form av övergripande form och storlek, och att tillhandahålla referenspunkter för en 3D-modell.

"Vi är glada över att se fler och fler laboratorier som drar nytta av vår delade cryo-EM-anläggning, sa Ethan Dmitrovsky, M.D., ordförande för Leidos Biomedical Research, Inc. och laboratoriechef för Frederick National Laboratory. "Detta projekt har speciell potential för ett nytt forskningsområde som kan lindra lidandet för patienter med cancer och andra sjukdomar."

Neutroner är känsliga för väte, icke-förstörande, och de gör det möjligt att studera proteinerna i realtid, under verkliga förhållanden. Cryo-EM-metoden utförd på Frederick bilder frusna, hydratiserade prover, tillåter molekylär upplösning utan behov av färgämnen eller fixeringsmedel. Forskare kommer specifikt att inrikta sig på proteinet neurofibromatosis typ 1 och dess interaktioner med bindningspartners. Mutationer i NF1 är kända för att orsaka neurofibromatos och har varit inblandade i cancer.

Data kommer att gå igenom en process av algoritmstyrd rekonstruktion för att eliminera "brus" i bilderna. Sedan kommer den resulterande modellen att användas i datorsimuleringar med hjälp av maskininlärning för att utforska vissa regioner av proteinerna för att få en bättre förståelse för partikelorientering.

Kombinera cryo-EM, liten vinkelspridning, och beräkning kommer att göra det möjligt att generera atomistiska modeller för att nå sub-nanometer upplösning för dessa proteiner.

"I grund och botten, experimentalisterna kommer att hantera spridningen av små vinklar, kristallografiarbetet och kryo-EM. Sedan kommer datavetarna att ta alla dessa olika experimentella data och sätta ihop det för att ge oss en bild av hur proteinet ser ut, " sa O'Neill.

Projektet involverar forskare från tre direktorat vid ORNL:Neutron Sciences, Beräknings- och beräkningsvetenskap, och Energi- och miljövetenskap.

"Beräkning knyter ihop allt. Det kommer att bli, Jag tror, mycket vanligt inom strukturbiologi - den här idén om att integrera olika experimentella modaliteter som är knutna samman genom beräkning, " tillade Ramanathan.

Faktiskt, forskarna förväntar sig att beräkningsarbetet kommer att vara bland de första projekten att använda Summit, planeras att komma online i år som världens smartaste, superdator med öppen källkod för tillämpningar av artificiell intelligens vid DOE:s Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) vid ORNL.

"Detta arbete fungerar som ett underbart exempel på hur vi kan kombinera flera vetenskapliga användarfaciliteter, I detta fall, OLCF, [DOE] spallationsneutronkällan, och Frederick National Laboratory's National Cryo-Electron Microscopy Facility vid Frederick National Laboratory för att främja både DOE- och NIH-uppdrag, sa Paul Gilna, chef för biosäkerhet och biomedicinska initiativ på ORNL.

Forskningen har tillämpningar inte bara för ORNL:s arbete inom det biomedicinska rummet utan är också relevant för dess arbete med bioenergi och kvicksilvertoxicitet - områden som är relevanta för DOE:s program för biologisk och miljöforskning. Forskningen kunde, till exempel, hjälpa forskare att konstruera mikrober som är bättre på att smälta och omvandla råvaruväxter till biobränslen.