奥斯汀德克萨斯大学的豪尔赫·萨拉扎 称为肌动蛋白丝的薄而柔韧的蛋白质链对我们的细胞来说就像骨骼一样，对其运动至关重要
超级计算机模拟帮助解开了几十年来关于肌动蛋白丝如何聚合或连锁在一起的谜团
来自分子动力学模拟的空间填充模型，显示肌动蛋白细丝倒刺末端(蓝色)和尖头末端(红色)
学分:芝加哥大学威尔莫斯·索莱尼
从某种意义上说，我们的细胞里充满了“骨头”
被称为肌动蛋白丝的薄而柔韧的蛋白质链有助于支持和移动真核生物的大部分细胞，包括所有的植物和动物
肌动蛋白丝总是不停地生长、收缩、与其他东西结合，并在细胞移动时分支
超级计算机模拟有助于解开肌动蛋白丝如何聚合或连锁在一起的谜团
这项基础研究可以应用于治疗，以阻止癌症扩散，开发自愈材料，等等
“我们论文的主要发现解释了肌动蛋白丝的一种特性，这种特性已经知道了大约50年，”2020年11月发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究的合著者维莫斯·索莱尼说
几十年来，研究人员已经知道，肌动蛋白丝的一端与另一端非常不同，这种极化是肌动蛋白丝正常工作所必需的
神秘之处在于细丝是如何利用这种极化来生长、收缩和结合的
“在生理肌动蛋白浓度下，肌动蛋白丝的一端比另一端伸长得快得多，”索奈说
“我们的研究表明，不同的聚合动力学有一个结构基础
维尔莫斯·索莱尼是芝加哥大学生物物理科学系的一名研究生，在格雷戈里·沃斯团队中开发模拟技术
“肌动蛋白丝是赋予细胞形状和许多其他特性的东西，”这项研究的相应作者和黑格·P
芝加哥大学帕帕齐安杰出服务教授
随着时间的推移，细胞的形状会在动态过程中发生变化
“例如，当一个细胞想要前进时，它会在特定的方向聚合肌动蛋白
这些肌动蛋白丝然后推动细胞膜，使细胞向特定方向移动
”沃斯说
此外，细胞中的其他蛋白质有助于排列聚合的肌动蛋白末端，或者更快地积累以向完全相同的方向推进，从而指引细胞的路径
子单元B(蓝色)、B-1(青色)和B-2(灰色)描绘为带状图
最初与B-1结合，B亚单位不弯曲，使亚单位之间的接触紧张，直到它们分离
由此产生的松散横向连接导致子单元B相对于细丝的其余部分动态波动，同时通过其D环固定到子单元B-2
学分:芝加哥大学威尔莫斯·索莱尼
“我们发现细丝的一端在肌动蛋白亚单位之间有一个非常松散的连接，”索奈说
“那是快结束了
肌动蛋白聚合物内的松散连接允许进入的肌动蛋白单体进入结合位点，这样它可以快速形成新的连接，并且聚合反应可以继续
他将此与慢端作了对比，慢端是肌动蛋白亚基之间非常紧密的连接，阻止了进入的单体在慢端聚合的能力
在芝加哥大学研究计算中心，索莱尼与沃思集团一起开发了该研究的全原子分子动力学模拟
他用格罗姆ACS和NAMD软件研究了细丝末端亚单位的平衡构象
“这是我第一个使用高性能计算集群的项目之一，”他说
由国家科学基金会资助的极限科学与工程发现环境，随后授予科学家在德克萨斯高级计算中心的踩踏2超级计算机上的分配
“在我们的本地集群上测试代码非常简单，然后将几个文件放到踩踏事件2的机器上，在一天之内重新开始运行，”索莱尼说
“踩踏事件2的高性能计算集群是这项工作得以进行的真正原因，”他补充道
“他们能够在我们的模拟中达到我们感兴趣的时间和长度尺度
如果没有XSEDE提供的资源，我们将无法分析如此大的数据集，也无法对我们的发现充满信心
" 他们进行了九次模拟，每一次大约一百万个原子传播大约一微秒
“我们对三种核苷酸状态感兴趣——三磷酸腺苷、腺苷二磷酸和γ磷酸，一旦磷酸被释放，它就处于腺苷二磷酸核苷酸状态
”佐尔奈说
模拟显示了神秘的确凿证据——倒刺末端和尖头末端亚单位之间不同的平衡构象，这导致了相邻肌动蛋白单体亚单位之间接触的有意义的差异
溶液中的肌动蛋白单体的构象比它是更长的肌动蛋白聚合物的一部分时稍宽
佐尔奈说，之前的模型假设，一旦聚合，宽的形状转变成扁平的形状，几乎是离散的
TACC的踩踏事件2是通过国家科学基金会资助的极端科学和工程发现环境分配的
信用:TACC “当我们以扁平状态的所有亚基开始细丝时，我们所看到的是，末端的亚基松弛，类似于单体状态，其特征是形状更宽，”索奈解释说
在两端，肌动蛋白分子加宽的相同机制导致亚单位之间非常不同的接触
“在快，带刺的一端有两个分子之间的分离
而在尖端，它们之间有非常紧密的联系
对肌动蛋白细丝的研究可以找到广泛的应用，例如改进治疗方法
“现在的新闻是冠状病毒，”沃斯说，指的是先天免疫系统的作用
它包括被称为中性粒细胞的白细胞，吞噬血液中的细菌或其他病原体
“对它们嗅出和寻找病原体的能力至关重要的是，它们能够在环境中移动，并在任何地方找到病原体
在免疫反应中，这非常重要，”他补充道 然后是转移性癌症，一个或几个肿瘤细胞将开始迁移，扩散到身体的其他部位
“如果你能以某种方式破坏它，或者使它对你的癌细胞不那么可靠，那么你就可以根据这些信息进行癌症治疗，”沃斯说
“一个角度，教授
沃斯和我发现特别有趣的是从材料科学的角度来看
肌动蛋白分子中的氨基酸在植物、动物和酵母中大致相同
“这给了我们一个提示，肌动蛋白分子的物质属性有一些特殊之处，不能用不同的氨基酸来复制，”他补充道
这种理解有助于推进自我修复的仿生材料的发展
“你可以想象，在未来，一种新型的材料会自我治愈
举例来说，如果一个桶上有一个洞，这种材料可以感觉到伤口已经出现，并自我愈合，就像人体组织一样，”索奈补充说
沃斯说:“人们真的非常喜欢仿生材料——行为类似于这些聚合物的东西
我们的工作是解释一个关键的事情，那就是肌动蛋白丝的极化
"
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