(PhysOrg.com) - En nyckelelement i både bioteknik och nanoteknik är - kanske inte överraskande - beräkningsmodellering. Ofta, in silico nanostrukturdesign och simulering föregår faktiskt experiment. Dessutom, möjligheten att använda modellering för att förutsäga biomolekylär struktur lägger grunden för den efterföljande designen av biomolekyler. Historiskt sett problemet har varit att de flesta modelleringsprogramvara utgör en avvägning mellan att vara allmänt ändamål (i att kunna modellera system med hög/atomupplösning) men begränsad i omfattning (dvs. utforskar bara en liten bråkdel konformationsutrymme runt den ursprungliga strukturen). Nyligen, dock, Forskare vid Stanford University har utvecklat en algoritm - implementerad i ett modelleringsprogram som kallas MOSAICS (Methodologies for Optimization and SAmpling In Computational Studies) - som uppnår nanoskala -modellering med den upplösning som krävs utan att begränsas av omfattningen/storlekens dilemma. Dessutom, forskarna har framgångsrikt modellerat-och jämfört den nya beräkningsmodelleringstekniken med-RNA-baserade nanostrukturer.

Forskargruppen - Adelene Y. L. Sim vid Institutionen för tillämpad fysik, och professor Michael Levitt och doktor Peter Minary vid institutionen för strukturbiologi - stod inför en rad utmaningar när de utformade sin unika algoritm. Talar med PhysOrg , Minary och Sim beskriver dessa utmaningar. "Minskad dimension kan eliminera fysiskt relevanta vägar som förbinder konformationsbassänger och därför införa konstgjorda energibarriärer som inte utgör hinder i det kartesiska rummet, ”Berättar Minary PhysOrg . "I det aktuella fallet den stora utmaningen var att utveckla en algoritm som stöder frihetsgrader som representerar godtyckliga kollektiva omorganisationer vid all atomupplösning. ”

Tyvärr, Mineraloteringar, använder dessa frihetsgrader, eller DOF, kan bryta kedjans anslutning - och motsvarande konformationsutrymme kommer sannolikt att förknippas med extremt grov energiytopologi. ”För att övervinna dessa begränsningar, " han lägger till, "Mindre kollektiva omarrangemang behöver endast användas i nödvändig omfattning så att omläggningar längs de mer kollektiva DOF:erna underlättas optimalt utan att avsevärt öka volymen på det urvalade konformationsutrymmet." Kortfattat, deras stora utmaning var att implementera en universell algoritm som kan utforska konformationsutrymme samtidigt som det tillåter många uppsättningar godtyckliga och/eller användardefinierade så kallade naturliga DOF:er.

Teamet tog upp dessa frågor, Minary säger, genom att bygga på den redan existerande beräkningsmiljön på hög nivå i MOSAICS-mjukvarupaketet som möjliggjorde användning av godtyckliga, jämnt kedjebrytande DOF:er. ”För att ytterligare förbättra detta koncept, " han lägger till, ”Ett mycket flexibelt nytt gränssnitt måste uppfinnas som välkomnar användare att definiera sina egna systemspecifika DOF:er. Dessutom, gränssnittet måste också stödja den vägda överlagringen av godtyckliga DOF:er. Slutligen en universell algoritm som inser interaktionen mellan olika uppsättningar DOF:er som måste implementeras. ” Genom att göra det, konformationsvägar längs de mest kollektiva molekylära omorganisationerna förstärks av införlivandet av gradvis mer detaljerad molekylär flexibilitet utan att väsentligt förändra dimensionalitetsproblemet, vilket är bättre kvantifierat av den konformationsvolym som ska samplas snarare än det faktiska antalet DOF.

Andra innovationer är också på gång. "I det aktuella dokumentet visade vi att vår algoritm uppfyller vissa nödvändiga villkor för fasutrymme, eller detaljerad balans, bevara provtagning som inte uppfylls av någon av de tillgängliga algoritmerna som används för att modellera RNA -system, ”Minarnoteringar. "Ytterligare ansträngningar görs för att till fullo tillgodose mikroskopisk reversibilitet." Dessutom, beräkningseffektivitet kan förbättras genom att använda information om DOF:s kollektiva karaktär vid uppdatering av atomiska interaktioner, eller genom att definiera energifunktionella former i termer av lågdimensionella analytiska koordinater. Minary påpekar att samplingseffektiviteten också kan förbättras om det nuvarande tillvägagångssättet kombineras med några avancerade samplingsalgoritmer baserade på multikanonisk sampling som finns i MOSAICS.

Dessutom, han fortsätter, rörelsen av explicit vatten skulle kunna införlivas med de hierarkiska rörelserna så att effekterna av lösningen kan utvärderas mer exakt - och testning av metoden med olika implicita lösningsmedelsrepresentationer kan också vara informativ. "Till sist, " han säger, "Vi planerar att införa ett mer användarvänligt - möjligen grafiskt - gränssnitt som skulle överbrygga klyftan mellan algoritmutvecklare och beräkningsbiologer, fysiker och kemister som har stor insikt och intuitioner om de naturliga DOF:erna i olika molekylära sammansättningar och komplex. ” Sammanlagt, alla ovanstående ansträngningar, vilket skulle öka matematisk noggrannhet, beräkningshastighet, lösningsmedelsinformation och tillgänglighet för användare, kan ytterligare utöka gränserna för applikationer utöver de nuvarande systemen som övervägs.

Sålänge, medan du utvecklar alla nödvändiga algoritmer som diskuterats ovan, laget planerar att fortsätta utöka sortimentet av målapplikationer. "Förutom att modellera strukturen för kromatin, ”Minary illustrerar, "Vi vill återkomma till frågor inom DNA -nanoteknik." Vidare, användningen av en annan förädlingsmetod än Cryo-EM (Cryo-Electron Microscopy, en form av överföringselektronmikroskopi där prover studeras vid kryogena temperaturer, och som laget redan driver) är också planerat.

"Vi tänker förlänga vårt arbete med att i stor utsträckning utforska RNA -övergångens flexibilitet, Tillägger Sim, "Och undersöker också för närvarande att använda vår teknik för att förutsäga RNA -struktur för stora RNA -system." När det gäller ansökningar, Sim fortsätter, ”Inom medicin är det viktigt att förstå flexibiliteten, stabilitet, form och eventuella snedvridningar av nanostrukturer för att bättre utvärdera nanostrukturkvaliteten. Dessa egenskaper kan spela avgörande roller för att diktera cellulär internalisering och/eller toxicitet av nanostrukturer. ”

Sim påpekar att med sitt effektiva modelleringsverktyg, även om det fortfarande är beroende av kvaliteten på det använda kraftfältet, laget är nu mer kapabelt att studera dessa fastigheter in silico . "Dessutom, ”Sim noterar, "Vi undersöker optimering i sekvens- och struktur-utrymme samtidigt genom att ha sekvens som en extra grad av frihet." En möjlig tillämpning är sekvensdesignen för att tysta RNA, eller siRNA.

Ser längre bort, Minary berättar PhysOrg , det finns andra tekniker och applikationer som kan dra nytta av deras resultat. "Eftersom korrekt provtagning och utforskning av konformationsutrymmet är ett grundläggande verktyg som används i olika tekniker och applikationer, metoden kan användas vid design, homologimodellering och olika nya tillämpningar såsom modellering av kollektiva omarrangemang i transmembranproteiner, designa nya nukleinsyrananostrukturer, modellera stora protein-nukleinsyrasammansättningar, en sådan ribosomen, och den in silico studier av kromatinrenovering. Dessutom, " han lägger till, "Vi vill hjälpa till med förfining och tolkning av experimentella tekniker." Specifikt, bygga på tidigare ansträngningar att förfina Cryo-EM-data, de skulle vilja utveckla verktyg för att analysera NMR, BAND, SAXS, Röntgen, och fotavtrycksexperiment för att generera konformationella ensembler som uppfyller experimentella begränsningar.

Till sist, Minary påpekar att algoritmen som de utvecklat är mycket generell till sin natur och kan också användas i andra discipliner som involverar statliga utrymmen med ett stort antal variabler som förändras på ett korrelerat sätt. "Särskilt, ”Avslutar han, ”Grundidén skulle kunna användas men inte begränsas till provtagning av utrymme för möjliga nätverk, som i systembiologiska tillämpningar, eller börsvariabler. ”

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.