Вирусът на СПИН декодиран с помощта на отворен код

Симулацията на структурата на обвивката е получена с помощта на метод за електронна микроскопия, известен като криоелектронна томография (илюстрация: Nvidia)

Симулацията на структурата на обвивката е получена с помощта на метод за електронна микроскопия, известен като криоелектронна томография (илюстрация: Nvidia)

Учени от университета на щата Илинойс симулираха за първи път структурата на протеиновата обвивка (капсид) на вируса на СПИН. За целта са използвани петафлопов суперкомпютър Blue Waters, който е един от най-бързите в света, и програмен продукт NAMD с отворен код.

Изследователите са извършили 100-наносекундна симулация на молекулярното движение на 4 милиона атома, които образуват 1300 идентични протеина, съставляващи обвивката. Данните от симулацията са получени с помощта на метод за електронна микроскопия, известен като криоелектронна томография, благодарение на който е постигната резолюция 8 ангстрьома (единица за разстояние при атоми и молекули).

Изчислителната мощност, използвана за провеждане на моделирането, е рекордна в цялата история на научните експерименти, предвид взаимодействието на 64 милиона атома, коментира Клаус Шултен, професор по физика в университета на Илинойс.

При симулацията са приложени законите на движението към отделни атоми. Моделирани са действията на силите на привличане и отблъскване между частиците, които обуславят техните сложни движения. За да извършат това, учените е трябвало да дискретизират (да разбият на малки интервали) пространството и времето. Симулацията е включвала огромен брой итерации, при всяка от които действието на силите се е изчислявало отново.

Структура на протеиновата обвивка на вируса на СПИН (илюстрация: Nvidia)

Структура на протеиновата обвивка на вируса на СПИН (илюстрация: Nvidia)

Провеждането на толкова сложен експеримент е подпомогнато от софтуер с отворен код за моделиране на молекулярна динамика, известен като NAMD (Not just Another Molecular Dynamics program). Продуктът е собствена разработка на лабораторията за теоретична и компютърна биофизика към университета на Илинойс и се разпространява чрез сайта й заедно с изходния код под некомерсиален лиценз.

Суперкомпютърът Blue Waters, на който е извършена симулацията, се състои от изчислителни модули Cray XE6 и XK7, които използват мощта на графични процесори Nvidia Tesla K20X. Модулите работят под управление на Linux-базирана операционна система. Учените са адаптирали NAMD за работа на GPU клъстер, което е позволило едновременна симулация на милиони частици със скорост един квадрилион операции в секунда.

Вече е известно, че протеиновите атоми, съставляващи капсида на СПИН, се обединяват в пента- и хексагонални вериги, придавайки на обвивката форма, сходна с повърхността на футболна топка. В процеса на симулация учените са изяснили, че тези вериги са 228, от които 216 имат хексагонална форма, а 12 – пентагонална.

Откритието е важно за медицината и фармацевтиката, тъй като основната функция на протеиновата обвивка е да защитава вируса при неговото движение между клетките. Щом вирусът влезе вътре в клетката, протеиновата обвивка се разкрива, задействайки разрушителния механизъм на СПИН.

За другите вируси вече са създадени лекарства, които възпрепятстват разкриването на обвивката в клетката или обратно – преждевременно я отварят, докато вирусът е извън клетката, като така повреждат генетичния му материал. Познаването на структурата на обвивката на вируса на СПИН ще позволи създаване на ефективни лекарства за борба с коварния вирус.

Коментар