Vad får kevlar att stoppa en kula, på atomnivå?

Materialens egenskaper kommer från deras molekylära eller atomära struktur, men många detaljer mellan mikro och makro förblir ett mysterium för vetenskapen. Forskare forskar aktivt på den rationella utformningen av riktade supramolekylära arkitekturer, med målet att konstruera sin strukturella dynamik och deras svar på miljömärken.

Ett team av kemister vid University of California, San Diego (UCSD) har nu designat en tvådimensionell proteinkristall som växlar mellan tillstånd med varierande porositet och densitet. Detta är det första inom biomolekylär design som kombinerade experimentella studier med beräkning på superdatorer. Forskningen, publicerad i april 2018 i Naturkemi , kan hjälpa till att skapa nya material för förnybar energi, medicin, vattenrening, och mer.

"Vi gjorde en omfattande uppsättning molekylära dynamiksimuleringar och experiment, som förklarade grunden för den ovanliga strukturella dynamiken hos dessa artificiella proteiner, baserat på vilket vi kunde fatta rationella beslut och ändra sammansättningens strukturella dynamik, "sa studieförfattaren Akif Tezcan, professor i kemi och biokemi vid UCSD.

Tezcans team arbetade med proteinet L-rhamnulose-1-fosfat aldolas (RhuA), som modifierades med cysteinaminosyror i sina fyra hörn vid position 98 (C98RhuA). Han och hans grupp hade tidigare publicerat arbete om självmontering av denna artificiella, tvådimensionell proteinarkitektur, som han sa visade ett intressant beteende som kallas auxeticity.

"Dessa kristallina sammansättningar kan faktiskt öppna och stänga i sammanhang, "Tezcan sa." Som de gör, de krymper eller expanderar lika i X- och Y -riktningar, vilket är motsatsen till vad vanliga material gör. Vi ville undersöka vad dessa rörelser beror på och vad som styr dem. "Ett exempel på auxetik kan ses i Hoberman -sfären, en leksaksboll som expanderar genom sina saxliknande gångjärn när du drar isär ändarna.

"Vårt mål var att kunna göra samma sak, använda proteiner som byggstenar, att skapa nya typer av material med avancerade egenskaper, "Tezcan sa." Exemplet som vi studerar här var i huvudsak frukten av dessa ansträngningar, där vi använde just detta protein som har en fyrkantig form, som vi fäste till varandra genom kemiska länkar som var reversibla och fungerade som gångjärn. Detta gjorde att dessa material kunde bilda mycket välordnade kristaller som också var dynamiska på grund av flexibiliteten hos dessa kemiska bindningar, som gav oss dessa nya, framväxande fastigheter. "

Kontroll av öppning och stängning av porerna i C98RhuA protein 2-D-gitter kan fånga upp eller släppa specifika molekylära mål som är användbara för läkemedelsleverans eller skapande av bättre batterier med mer forskning, Sa Tezcan. Eller så kan de selektivt passera genom eller blockera passage av biologiska molekyler och filtrera vatten.

"Vår idé var att kunna bygga komplexa material, som evolutionen har gjort, använda proteiner som byggstenar, "Sa Tezcan.

Sättet på Tezcans team var att först uttrycka proteinerna i E. coli bakterieceller och rena dem, varefter de inducerade bildandet av de kemiska kopplingar som faktiskt skapar kristallerna i C98RhuA, som varierar beroende på deras oxidationstillstånd, genom tillsats av redoxaktiva kemikalier.

"När kristallerna har bildats, den stora karaktäriseringen blir öppenheten eller närheten av kristallerna själva, "förklarade Tezcan, som bestämdes genom statistisk analys av hundratals bilder tagna med elektronmikroskopi.

Experimenten arbetade hand i hand med beräkning, främst all-atom-simuleringar med hjälp av NAMD-programvaran som utvecklats vid University of Illinois i Urbana Champaign av gruppen av den sena biofysikern Klaus Schulten.

Tezcans team använde ett reducerat system med bara fyra proteiner kopplade ihop, som kan kaklas oändligt för att komma till botten med hur kristallen öppnar och stänger. "Det reducerade systemet tillät oss att göra dessa beräkningar genomförbara för oss, eftersom det fortfarande finns hundratusentals atomer, även i detta reducerade system, "Sade Tezcan. Hans team utnyttjade funktioner specifika för C98RhuA, såsom att använda en enda reaktionskoordinat som motsvarar dess öppenhet. "Vi kunde verkligen validera den här modellen som representativ för det vi observerade i experimentet, "Sa Tezcan.

All-atom molekylära simuleringar av C98RhuA kristallgitter användes för att kartlägga det fria energilandskapet. Detta energilandskap ser ut som ett naturligt landskap, med dalar, berg, och bergspass, förklarade studieförfattare Francesco Paesani, professor i kemi och biokemi vid UCSD.

"Dalarna blir de mest stabila konfigurationerna av dina proteinsammansättningar, "Sa Paesani, som molekylsystemet föredrar framför att behöva spendera energi för att gå över ett berg. Och bergspassen visar vägen från en stabil struktur till en annan.

"Vanligtvis, beräkningar av fri energi är mycket dyra och utmanande eftersom det du försöker göra är att prova alla möjliga konfigurationer av ett molekylsystem som innehåller tusentals atomer. Och du vill veta hur många positioner dessa atomer kan få under en simulering. Det tar mycket tid och mycket datorresurser, "Sa Paesani.

För att möta dessa och andra beräkningsutmaningar, Paesani har tilldelats superdatorallokeringar genom XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, finansierad av National Science Foundation.

"Lyckligtvis, XSEDE har gett oss en fördelning på Maverick, GPU:s datorkluster vid Texas Advanced Computing Center (TACC), "Sa Paesani. Maverick är en dedikerad resurs för visualisering och dataanalys som är arkitekterad med 132 NVIDIA Tesla K40" Atlas "grafikprocessorenheter (GPU) för fjärrvisualisering och GPU -beräkning till det nationella samhället.

"Det var mycket användbart för oss, eftersom den NAMD -programvara som vi använder fungerar mycket bra på GPU:er. Det gör att vi kan påskynda beräkningarna med storleksordningar, "Sa Paesani." Numera, vi har råd med beräkningar som vi för tio år sedan inte ens kunde drömma om på grund av denna utveckling, både på NAMD -programvaran och på hårdvaran. Alla dessa datorkluster som XSEDE tillhandahåller är faktiskt ganska användbara för alla molekylära dynamiska simuleringar. "

Genom XSEDE, Paesani använde flera superdatorer, inklusive Gordon, Komet, och bockar vid San Diego Supercomputer Center; Kraken vid National Institute for Computational Sciences; och Ranger, Panik, och Stampede2 på TACC.

"Eftersom alla simuleringar kördes på GPU:er, Maverick var det perfekta valet för denna typ av applikationer, "Sa Paesani.

Beräkning och experiment arbetade tillsammans för att ge resultat. "Jag tycker att detta är ett vackert exempel på synergin mellan teori och experiment, "Sa Paesani." Experimentet ställde den första frågan. Teori och datasimulering tog upp den frågan, ger viss förståelse för mekanismen. Och sedan använde vi datasimulering för att göra förutsägelser och be experimenten att testa giltigheten av dessa hypoteser. Allt fungerade mycket bra eftersom simuleringarna förklarade experimenten i början. De förutsägelser som gjordes bekräftades av experimenten i slutet. Det är ett exempel på den perfekta synergin mellan experiment och teoretisk modellering. "

Tezcan tillade att "kemister traditionellt gillar att bygga komplexa molekyler från enklare byggstenar, och man kan tänka sig att göra en sådan kombination av design, experiment och beräkning för mindre molekyler för att förutsäga deras beteende. Men det faktum att vi kan göra det på molekyler som består av hundratusentals atomer är ganska utan motstycke. "

Vetenskapsteamet använde också molekylära dynamiksimuleringar för att noggrant undersöka vattnets roll för att styra C98RhuAs gitterrörelse. "Denna studie visade oss hur viktig den aktiva rollen för vatten är för att kontrollera den strukturella dynamiken i komplexa makromolekyler, som i biokemi kan bli förbisedd, "Tezcan sa." Men den här studien visade, väldigt tydligt, att dynamiken i dessa proteiner drivs aktivt av vattendynamik, vilket jag tror framhåller vattnets betydelse. "

Rob Alberstein, doktorand i Tezcan -gruppen och första författare till Nature Chemistry -artikeln, tillade "Kärnan i denna forskning är att förstå hur materialens egenskaper härrör från den underliggande molekylära eller atomiska strukturen. Det är mycket svårt att beskriva. I det här fallet försökte vi verkligen dra den kopplingen så tydligt som vi själva kunde förstå det och verkligen visa inte bara från experimentet, där vi kan titta på makroskala beteende för dessa material, men sedan med beräkningen hänvisa det beteendet tillbaka till vad som faktiskt pågår i molekylernas skala. När vi fortsätter att utvecklas som ett samhälle, vi måste utveckla nytt material för nya typer av globala frågor (vattenrening, etc), så att förstå detta förhållande mellan atomstrukturen och själva materialegenskapen och förmågan att förutsäga dem kommer att bli allt viktigare. "