Algorytm mający zrewolucjonizować odkrywanie struktury białka 3-D

Jednym z wielkich wyzwań biologii molekularnej jest określenie trójwymiarowej struktury dużych biomolekuł, takich jak białka. Ale jest to znane zadanie trudne i czasochłonne.

Standardową techniką jest krystalografia rentgenowska, która polega na analizie dyfrakcji rentgenowskiej kryształu badanej cząsteczki. Działa to dobrze w przypadku cząsteczek, które łatwo tworzą kryształy.

Ale wiele białek, być może większość, nie tworzy łatwo kryształów. A nawet kiedy to robią, często przybierają nienaturalne konfiguracje, które nie przypominają ich naturalnego kształtu.

Zatem znalezienie innego niezawodnego sposobu określenia trójwymiarowej struktury dużych biomolekuł byłoby ogromnym przełomem. Dziś Marcus Brubaker i kilku kolegów z Uniwersytetu Toronto w Kanadzie twierdzą, że znaleźli sposób na radykalne ulepszenie techniki obrazowania 3D, która nigdy nie dorównywała użyteczności krystalografii rentgenowskiej.

Nowa technika opiera się na procesie obrazowania zwanym kriomikroskopią elektronową. Rozpoczyna się to od oczyszczonego roztworu cząsteczki docelowej, który jest zamrożony w cienką warstwę o grubości zaledwie jednej cząsteczki.

Film ten jest następnie fotografowany przy użyciu procesu znanego jako transmisyjna mikroskopia elektronowa — jest bombardowany elektronami, a te, które przechodzą, są rejestrowane. Zasadniczo daje to dwuwymiarowe shadowgramy cząsteczek w filmie. Następnie badacze wybierają każdy shadowgram i wykorzystują go do opracowania trójwymiarowej struktury cząsteczki docelowej.

Ten proces jest trudny z wielu powodów. Po pierwsze, na każdym obrazie jest ogromna ilość szumu, więc nawet dwuwymiarowy cień jest trudny do dostrzeżenia. Po drugie, nie ma możliwości poznania orientacji cząsteczki, kiedy cień został zrobiony, więc określenie trójwymiarowego kształtu jest ogromnym przedsięwzięciem.

Standardowe podejście do rozwiązania tego problemu to niewiele więcej niż zgadywanie. Wymyśl potencjalną strukturę trójwymiarową dla cząsteczki, a następnie obróć ją, aby zobaczyć, czy może wygenerować wszystkie shadowgramy w zbiorze danych. Jeśli nie, zmień strukturę, przetestuj ją i tak dalej.

Oczywiście jest to czasochłonny proces. Obecny najnowocześniejszy algorytm działający na 300 rdzeniach zajmuje dwa tygodnie, aby znaleźć trójwymiarową strukturę pojedynczej cząsteczki na podstawie zestawu danych 200 000 obrazów.

Brubaker i spółka opracowali znacznie szybszą metodę, która umożliwia wykonanie tej samej pracy w ciągu zaledwie 24 godzin pracy na jednej stacji roboczej. Technika opiera się na dwóch innowacjach algorytmicznych.

Pierwsza wykorzystuje fakt, że obrazy są zaszumione i dlatego zawierają ogromne ilości zbędnych informacji. Zespół radzi sobie z tym za pomocą algorytmu, który usuwa znaczną część tej nadmiarowości, pozostawiając tylko podzbiór oryginalnych danych. Sztuczka polega oczywiście na pozbyciu się bezużytecznych danych przy jednoczesnym zachowaniu użytecznych rzeczy, czym zarządzają za pomocą podejścia do uczenia maszynowego.

Zmniejsza to ilość danych, które muszą zostać przetworzone, ale główne przyspieszenie wynika z drugiej innowacji, techniki statystycznej zwanej próbkowaniem ważności.

Główną ideą jest tutaj to, że pewne fragmenty danych są ważniejsze niż inne przy określaniu ostatecznej struktury trójwymiarowej. Tak więc znalezienie sposobu na skupienie się na nich może znacznie przyspieszyć ten proces.

Brubaker i spółka znaleźli właśnie takie podejście. Okazuje się, że duże cząsteczki zamrożone w cienkie warstwy prawie zawsze leżą na boku. Więc shadowgramy prawie zawsze pokazują cząsteczki w tej pozie, a nie stojące na głowie lub na dole.

Włączenie tej wiedzy do algorytmu radykalnie zwiększa prędkość, z jaką osadza się na potencjalnej strukturze trójwymiarowej, ponieważ może zignorować możliwość, że obrazy pokazują cząsteczkę z góry lub z dołu.

Wynikająca z tego poprawa jest ogromna. Prowadzi to do 100 000-krotnych lub większych przyspieszeń, umożliwiając określenie struktur w ciągu jednego dnia na nowoczesnej stacji roboczej, mówi Brubaker i spółka.

Zespół zademonstrował swoją technikę na zestawie shadowgramów dwóch dobrze znanych biomolekuł. Pierwszy zbiór danych składa się z ponad 46 000 obrazów dużej cząsteczki transbłonowej zwanej syntazą ATP z thermophilus bakteria. Drugi składa się z prawie 6000 obrazów bydlęcej mitochondrialnej syntazy ATP.

Zespół zsyntetyzował również trzeci zestaw danych, biorąc 40 000 losowych shadowgramów GroEL-GroES-(ADP)7, biomolekuły o znanej strukturze. Następnie wykorzystali swój algorytm do pracy wstecz, aby odtworzyć oryginalną strukturę.

Na koniec zespół porównuje swoje podejście z innymi najnowocześniejszymi modelami i pokazuje, że nowy algorytm znacznie przewyższa te standardowe metody.

To imponujący wynik, który może radykalnie zmienić krajobraz biologów molekularnych, którzy od lat zmagają się ze znalezieniem wiarygodnych nowych metod określania struktury dużych biomolekuł.

Wygląda na to, że kriomikroskopia elektronowa przyjmie tę rolę. W nadchodzących latach technika prawdopodobnie będzie coraz lepsza, ponieważ rozdzielczość tej formy mikroskopii będzie się poprawiać.

Nr ref: a rxiv.org/abs/1504.03573 : Budowanie białek w jeden dzień: wydajna trójwymiarowa rekonstrukcja molekularna

ukryć