Свойства материалов появляются из их молекулярного либо строения атома, все же большое количество подробностей между микро и макросом остаются тайной к науке. Ученые деятельно исследуют рациональный дизайн целенаправленной надмолекулярной архитектуры, с целью разработки их структурная их ответ и динамика на внешние стимулы.Команда химиков в Калифорнийском университете, Сан-Диего (UCSD) сейчас проектировал двумерный кристалл белка что пуговицы между странами плотности и переменной пористости. Это – первое в биомолекулярном дизайне, что объединил экспериментальные изучения с вычислением, сделанным на суперкомпьютерах.
Изучение, изданное в апреле 2018 по собственной природе Химия, имело возможность оказать помощь создать новые материалы для возобновляемой энергии, медицины, очистки воды, и больше.«Мы сделали широкий комплект молекулярных экспериментов и моделирований динамики, каковые растолковали основание необыкновенной структурной динамики этих неестественных белков, на базе которых мы смогли принять рациональные ответы и поменять структурную динамику собрания», сообщил соавтор изучения Акиф Тезкэн, биохимии и преподаватель химии в UCSD.Команда Тезкэна трудилась с фосфатом L rhamnulose 1 белка aldolase (RhuA), что был поменян с аминокислотами цистеина в его четырех углах в положении 98 (C98RhuA).
Он и его несколько ранее с далека работу над самосборкой данной неестественной, двумерной архитектуры белка, которую он сообщил, продемонстрировал увлекательное поведение, названное auxeticity.«Эти прозрачные собрания смогут в действительности открыться и закрыться в последовательности», сообщил Тезкэн. «Как они делают, они сжимаются либо увеличиваются одинаково в X и направления Y, что есть противоположностью того, что делают обычные материалы. Мы желали изучить то, почему эти перемещения происходят и что руководит ими».
Пример auxeticity возможно увиден в Сфере Хобермена, игрушечный шар, что расширяется через как словно бы резать ножницами стержни, в то время, когда Вы разделяете финиши.«Отечественная цель была в том, чтобы быть в состоянии сделать то же самое, применяя белки в качестве стандартных блоков, создать новые типы материалов с продвинутыми особенностями», сообщил Тезкэн. «Примером, что мы изучаем тут, был по существу плод тех упрочнений, где мы применяли данный конкретный белок, у которого имеется подобная квадрату форма, которую мы приложили друг к другу через химические связи, каковые были обратимы и действовали как стержни. Это разрешило этим материалам вырабатывать весьма упорядоченные кристаллы, каковые были кроме этого динамичными из-за гибкости этих химических связей, каковые закончили тем, что дали нам эти новые, свойства на стадии становления».
закрытия пор и Контроль открытия в белке C98RhuA 2-е решетки имели возможность захватить либо выпустить определенные молекулярные цели, нужные для доставки лекарственных средств либо создания лучших батарей с громадным числом изучения, сообщил Тезкэн. Либо они имели возможность выборочно пройти либо заблокировать проход биологических молекул и отфильтровать воду.«Отечественная мысль была в том, чтобы быть в состоянии выстроить сложные материалы, как эволюция сделал, применяя белки в качестве стандартных блоков», сообщил Тезкэн.
Методом команда Тезкэна сделала так должен был сперва выразить белки в E. coli клетки бактерий и очистить их, по окончании которых они привели к формированию химических связей, каковые в действительности создают кристаллы C98RhuA, каковые варьируются как функция их степени окисления при помощи добавления окислительно-восстановительно-активных химикатов.«Когда кристаллы организованы, громадная черта делается открытостью либо близостью самих кристаллов», растолковал Тезкэн, что был выяснен при помощи статистического анализа сотен изображений, захваченных, применяя электронную микроскопию.
Опыты трудились рука об руку с вычислением, в первую очередь моделированиями все-атома, применяя ПО NAMD, созданное в Университете Иллинойса в Равнине Урбаны группой покойного биофизика Клауса Шултена.Команда Тезкэна применяла уменьшенную совокупность всего четырех соединенных белков, что может крыться черепицей вечно, дабы добраться до сути относительно того, как кристалл раскрывается и закрывается. «Уменьшенная совокупность разрешила нам делать эти вычисления выполнимыми для нас, по причине того, что имеется все еще много тысяч атомов, кроме того в данной уменьшенной совокупности», сообщил Тезкэн. Его команда применяла в собственных заинтересованностях изюминки, характерные для C98RhuA, такие как применение единственного соответствия координаты реакции ее открытости. «Мы вправду смогли утвердить эту модель, как являющуюся представительным для того, что мы замечали в опыте», сообщил Тезкэн.
Все-атом молекулярные моделирования кристаллических решеток C98RhuA употреблялся, дабы нанести на карту пейзаж свободной энергии. Данный энергетический пейзаж похож на естественный пейзаж, с равнинами, горными перевалами и горами, растолковал соавтор изучения Франческо Паезани, биохимии и преподаватель химии в UCSD.«Равнины становятся самыми стабильными конфигурациями Ваших собраний белка», сообщил Пэезэни, что молекулярная совокупность предпочитает по необходимости израсходовать энергию пробежаться через гору. И горные перевалы показывают путь от одной стабильной структуры до другого.
«В большинстве случаев, бесплатные энергетические вычисления весьма дорогие и сложные, по причине того, что по существу то, что Вы пробуете сделать, типовое все вероятные конфигурации молекулярной совокупности, которая содержит тысячи атомов. И Вы желаете узнать, сколько положений эти атомы смогут купить на протяжении моделирования.
Требуются большое количество времени и большое количество компьютерных ресурсов», сообщил Пэезэни.Дабы совладать с этими и другими вычислительными проблемами, Paesani был награжден суперкомпьютерными отчислениями через XSEDE, Чрезвычайную Науку и Техническую Внешнюю среду Открытия, финансируемую Национальным научным фондом.«К счастью, XSEDE предоставил нам распределение на Индивидуалисте, GPU вычислительные группы в Texas Advanced Computing Center (TACC)», сообщил Пэезэни.
Индивидуалист – особый ресурс анализа и визуализации данных, спроектированный с 132 NVIDIA единицы обработки графики (GPU) «Атласа» Tesla K40 для удаленной визуализации и GPU, вычисляющего национальному сообществу.«Это было крайне полезно для нас, по причине того, что ПО NAMD, что мы используем пробеги отлично на GPUs. Это разрешает нам ускорять вычисления в соответствии с распоряжениям размеров», сообщил Пэезэни. «В наши дни мы можем дать вычисления, каковые десять лет назад мы не могли кроме того видеть во сне из-за этих событий, и на программном обеспечении NAMD и на аппаратных средствах.
Все эти вычислительные группы, каковые снабжает XSEDE, в действительности достаточно нужны для всех молекулярных динамических моделирований».Через XSEDE Пэезэни применял пара супервычислительных совокупностей, включая Гордона, Эстакады и Комету в Супервычислительном центре Сан-Диего; Кракен в Национальном Университете Вычислительных Наук; и Рейнджер, Паническое бегство и Stampede2 в TACC.
«Потому, что всеми моделированиями руководили на GPUs, Индивидуалист был хорошим выбором для этого типа применения», сообщил Пэезэни.эксперимент и Вычисление сотрудничали, дабы привести к итогам. «Я пологаю, что это – прекрасный пример совместных действий между экспериментом и теорией», сообщил Пэезэни. «Опыт поставил первый вопрос. компьютерное моделирование и Теория обратились к тому вопросу, обеспечив некое познание механизма. И после этого мы применяли компьютерное моделирование, дабы сделать предсказания и попросить, дабы опыты удостоверились в надежности правомерность этих догадок.
Все удалось весьма приятно, по причине того, что моделирования растолковали опыты сначала. Предсказания, каковые были сделаны, были обоснованы опытами в конце. Это – пример красивых совместных действий между теоретическим моделированием и экспериментами».
Тезкэн сказал, что «химикам традиционно нравится строить сложные молекулы из более несложных стандартных блоков, и возможно предположить исполнение таковой комбинации дизайна, вычисления и эксперимента для меньших молекул, дабы угадать их поведение. Но то, что мы можем сделать это на молекулах, каковые складываются из сотен тысяч атомов, достаточно беспрецедентно».Научная команда кроме этого применяла молекулярные моделирования динамики, дабы строго изучить роль воды в направлении перемещения решетки C98RhuA. «Это изучение продемонстрировало нам, как ответственный активная роль воды находится в управлении структурной динамикой сложных макромолекул, каковые в биохимии смогут быть пропущены», сообщил Тезкэн. «Но это изучение продемонстрировало, весьма ясно, что движущие силы этих белков ведет деятельно водная динамика, которая я думаю, выводит на передний замысел важность воды».Роб Олберштейн, аспирант в группе Tezcan и первый создатель статьи Nature Chemistry, добавленной «В базе этого изучения, осознаёт, как свойства материалов результат главного молекулярного либо строения атома.
Весьма тяжело обрисовать. В этом случае мы вправду стремились совершить ту сообщение так светло, как мы имели возможность осознать его сами и вправду продемонстрировать не только как из опыта, где мы можем взглянуть на поведение макромасштаба этих материалов, но тогда с вычислением связывают то поведение назад с тем, что в действительности длится в масштабе молекул. Тогда как мы продолжаем развиваться как общество, мы должны развивать новые материалы для новых видов мировых проблем (очистка воды, и т.д.), так осознавая эти отношения между строением атома и самой способностью и материальной собственностью угадать, что те планируют стать все более и более серьёзными».Изучение, «Разработка управляемый энтропией пейзаж свободной энергии динамического нанопористого собрания белка», было размещено в апреле 2018 в издании Nature Chemistry.
Авторы – Роберт Альберштайн, Юта Судзуки, Франческо Паезани и Ф. Акиф Тезкэн из Калифорнийского университета, Сан-Диего. Финансирование было обеспечено американской Премией Министерства энергетики DE-SC0003844 и Национальным научным фондом через грант CHE-1453204.
Все компьютерные моделирования были выполнены на финансируемой NSF Чрезвычайной Науке и Технической Окружающей среде Открытия через грант ACI-1053575.