超级计算机捕捉生物细胞中的压榨

使用日本最大的计算机 - 世界上最强大的计算机之一 - 由MSU科学家领导的研究在理解蛋白质如何受现实生物环境影响方面取得了突破。这项工作发表在最新一期的eLife上，是模拟计算机生物学的重要一步。“使生命发生并导致疾病的生物过程主要发生在细胞内部，可以用显微镜和其他技术进行研究，但不够详细，” 负责该研究项目的MSU生物化学和分子生物学教授Michael Feig说。。“我们的研究揭示了生物细胞内究竟发生了什么，以及蛋白质在自然环境中的特殊表现。”

该团队开始研究生物细胞中的拥挤是否会改变生物分子的特性及其发挥功能的能力。通过使用位于日本神户RIKEN高级计算科学研究所的超级计算机“K计算机”，研究团队能够进行计算机模拟，模拟细菌的细胞内部，并显示详细视图各种分子组分如何在非常密集的环境中相互作用。

“我们的计算机模拟与完整原子细节模拟整个细胞的距离并不太远，”费格说。“这些超过1亿个原子的模拟是这种模拟的最大模拟，比目前的典型研究工作大几个数量级。”

强大的计算机模拟导致发现一些蛋白质在非常密集的环境中可能不稳定，失去了生物功能所必需的结构。该研究还发现，这种细胞环境可能使参与相关生物过程的蛋白质彼此更接近，这将提高细胞在将食物转化为能量方面的整体效率。

“高峰期间的蛋白质像东京地铁里的人一样挤压在一起，高峰时段的挤压侵犯了个人空间。但对于蛋白质，这有时比我们想象的更受欢迎，”费格说。

第三个主要发现是较小的分子，例如那些提供食物和携带能量的分子，似乎被许多与较大蛋白质相互作用的机会分散注意力，从而影响它们的生物学功能。

“这是了解生物化学家通常研究的分子如何在现实生活条件下相互作用的突破性成就，”密歇根大学生物化学与分子生物学系主任Thomas Sharkey说。“它将提供关键的见解，将用于治疗癌症和其他疾病的人们，这些疾病依赖于现在更好理解的细胞过程。”

但根据Feig的说法，这只是详细的全细胞模拟的开始。

“未来的研究将致力于达到更长的时间尺度，并朝着更大，更复杂的细胞，特别是人类细胞，更好地与人类疾病相关，”费格说。

Feig与RIKEN研究所的计算生物化学家Yuji Sugita合作进行了研究。

“Feig教授和他在日本的合作者将分子活动与细胞活动联系起来，这对下一波理解生物学的过程至关重要，”Sharkey说。