在拥挤的细胞环境中的奇怪行为

来自RIKEN和密歇根州立大学的一组研究人员使用功能强大的K计算机来展示分子如何在极其拥挤的细菌细胞内部移动。体外研究 - 在试管中进行的研究 - 让我们非常了解分子如何相互作用。然而，对于它们如何在体内 - 在实际细胞中相互作用 - 知之甚少，因为由于拥挤，它们可以基于难以在试管中建模的方式起作用。大约70%的细胞质由水组成，剩下的30%由大分子组成，如核糖体，生物分子如蛋白质和DNA，代谢物如ATP和氨基酸，以及离子。

对于在eLife上发表的研究，该小组模拟了已知最小的细菌 - 生殖支原体的内部 - 其长度约为400纳米 - 一纳米是十亿分之一米 - 并动态模拟细胞内约一万亿个原子，使这成为迄今为止进行的最大的分子动态模拟之一。模拟用GENESIS进行，GENESIS是RIKEN开发的大规模平行分子动力学程序。尽管超级计算机的强大功能，计算使用了K计算机的65,536个处理核心，但仍需要几个月才能完成。

该研究的结果质疑了流行的假设，即在拥挤的细胞环境中，分子之间的相互作用主要受称为“体积排斥效应”的现象所控制，这意味着分子独占一定体积的溶剂 - 在此案例水 - 在他们周围的解决方案，防止其他分子占据该空间。相反，模拟发现其他相互作用 - 例如带电分子之间的静电 - 起主要作用。

该研究的第一作者RIKEN iTHES的Isseki Yu说：“这项工作向我们证明了体外条件和细胞内体内条件之间存在重大差异。我们已经发现超出'体积排斥的相互作用的证据效应'，包括蛋白质 - 蛋白质相互作用以及与离子和代谢物的静电相互作用。这些需要在解释体外研究时付诸实施。“

根据研究团队的领导人Yuji Sugita表示，“该研究团队在iTHES以及RIKEN定量生物学中心和RIKEN计算科学高级研究所拥有实验室”，这项研究使我们更接近模拟a的梦想。这项工作也将有助于药物开发，因为之前的研究通常研究蛋白质与水中单一候选化合物之间的相互作用。现在，我们将能够分析候选化合物与其他化合物之间的相互作用。拥挤的细胞环境中的分子。“ 杉田继续说，“这项研究的一个限制是，由于所需的巨大计算能力，我们只能进行短时间的模拟。我们相信它仍然是准确的，

密歇根州立大学项目负责人Michael Feig也是RIKEN定量生物学中心的负责人，他表示，“这项工作向原型细节建模整个细胞迈出了一大步，最终将我们连接起来。在分子水平上了解细胞水平的生物学功能。“