作者艾伦·杜布罗，德克萨斯大学奥斯汀分校 模拟人红细胞的不对称环境中两个水通道蛋白3四聚体的全原子模型系统
学分:廖晨，圣安东尼奥德克萨斯大学 地球上一些最基本的过程包括水和能量进入和离开细胞
负责这一通道的细胞看门人被称为水通道蛋白和葡萄糖转运蛋白，这两个蛋白质家族促进水、葡萄糖和其他小物质快速而选择性地穿过生物膜
水通道蛋白存在于生命的所有领域，证明了它们在维持所有生物体健康中的核心作用
第一个水通道蛋白发现于1992年，其发现者彼得·阿格雷因此获得了2003年诺贝尔化学奖
从那时起，已经鉴定出450多种水通道蛋白
基于计算机的实验——尤其是分子动力学(MD)模拟——已被证明在分子水平上确定物质如何渗透通过通道蛋白方面非常重要
根据廖晨的说法，教科书中对葡萄糖转运蛋白的描述低估了这些蛋白质运作的复杂性
实验和x光结晶学只能捕捉如此多的细节，计算机模拟在模拟大规模系统的能力方面受到限制，包括门控中涉及的膜复杂性和其他因素
十多年来，陈一直在德克萨斯高级计算中心(TACC)使用超级计算机研究这个问题，其精确度和复杂性都在不断提高
“作为一名理论物理学家，我坚信理查德·费曼所说的:生物所做的一切都可以用原子的抖动和摆动来理解，”陈说
“我们试图建立一座桥梁，从数百万个原子的抖动和摆动，到生物系统非常简单的确定性行为
" 自2019年以来，他利用Frontera(世界上最强大的超级计算机之一)的建模能力，研究人类红细胞中的水通道蛋白和葡萄糖转运蛋白如何将水和葡萄糖运入和运出细胞
“我们正在从原子中建立膜蛋白的模型，包括它们在膜中的直接环境，”陈说
膜由脂类组成，内外小叶不对称
定性地说，我们理解水和葡萄糖是如何运动的，但没有人能正确地模拟膜的定量准确性，这是物理学其他分支的标准
我们正朝着这个方向前进
" 陈的研究发现，简单模型产生的结果与他使用的更真实的模型之间存在显著差异
“有了弗龙特拉，我们能够更接近现实，并在实验和计算机模拟之间达成定量一致，”他说
除了水通道蛋白和葡萄糖转运蛋白的基本生物学功能之外，这些蛋白质还与疾病有关，如体内综合症、神经障碍和多种形式的癌症
2020年4月，陈在《物理学前沿》杂志上发表了一篇论文，将这项研究应用于一种致病寄生虫，这种寄生虫是导致人类疟疾的病毒的一种有用类似物
研究人员还在研究如何操纵这些蛋白质来治疗某些类型的癌症——限制阻止肿瘤生长所需营养的可用性
水进出细胞涉及最简单的膜转运蛋白
然而，通过细胞膜传导葡萄糖的葡萄糖转运蛋白——它提供所有细胞所需的能量——更加复杂
“葡萄糖如何运输的机制是有争议的，但我相信我们现在非常接近答案，”陈说
长期以来，人们一直认为葡萄糖转运蛋白与主要促进因子超家族中的许多其他蛋白质一样，遵循交替进入理论
这个超家族中的蛋白质有两组跨膜螺旋，理论上它们是相对摆动的
这样，蛋白质可以在细胞外开放，允许糖进入蛋白质
然后两组细胞摆动，蛋白质向细胞内开放，允许糖离开蛋白质进入细胞质
蛋白质在对外开放和对内开放的构象之间不断交替，传递细胞代谢所需的能量
然而，葡萄糖转运蛋白不同于这个巨大的转运蛋白超家族的其他成员
与其他成员不同，葡萄糖转运蛋白是主动转运蛋白，有能量供应，葡萄糖转运蛋白是被动转运蛋白；他们没有能源供应来运作
陈认为葡萄糖转运蛋白可能不符合交替通路理论，于是开始对葡萄糖转运蛋白1和3进行深入研究
“我们的研究表明，一旦我们把这种简单的转运蛋白放入细胞，如果你使用不对称的膜，转运蛋白就不必通过交替的进入机制，”陈说
“它实际上在细胞外有一个门，根据体温在打开和关闭之间波动
这是转运蛋白机制多样性的一个例子
" 迄今为止，陈已就这一具体专题发表了两篇论文
用ACS化学写作
神经科学，他的团队提供了葡萄糖转运蛋白3的定量研究，葡萄糖转运蛋白3在中枢神经系统中很常见，因此被称为神经元葡萄糖转运蛋白
在《生物化学和生物物理研究通讯》最近的一篇论文中，他们提出了葡萄糖转运蛋白如何运作的新可能性
陈的研究小组还做了一些实验室实验来观察细胞的整体行为，并得出一个基本的事实来比较他的模型
但是超级计算机需要了解具体的机械细节
2020年4月，陈在Frontera上获得了200，000个节点小时的奖励，以便对蛋白质通道进行更详细的建模
“在Frontera上，每个内核都更快，系统也更大，所以我们可以更快地构建更大的系统，”他说
“更大的系统是必须的
当你处理小系统时，你就不接近现实
"
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