Εικονικό ριβόσωμα προσομοιώνεται σε υπερυπολογιστή

Πηγή: Los Alamos, 18 Οκτωβρίου 2005

Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos εκτέλεσαν την πρώτη προσομοίωση της λειτουργίας 2,64 εκατομμυρίων ατόμων με τη βοήθεια του υπερυπολογιστή "Q Machine". Με αυτό τον τρόπο οι επιστήμονες δημιούργησαν την προσομοίωση του ριβοσώματος, ενός οργάνου μέσα στο κύτταρο που παράγει πρωτεΐνες. Η προσομοίωση είναι η μεγαλύτερη που έχει γίνει μέχρι τώρα, έξι φορές μεγαλύτερη από οποιαδήποτε βιολογική προσομοίωση που έγινε μέχρι σήμερα.

Το ριβόσωμα είναι το εργοστάσιο παραγωγής των πρωτεϊνών μέσα στο κύτταρο, αποκωδικοποιώντας κάθε τύπο πρωτεΐνης, που η 'συνταγή' της βρίσκεται αποθηκευμένη μέσα στο αγγελιαφόρο RNA. Το ριβόσωμα αποτελείται από περίπου 250.000 άτομα, και είναι ένα σύμπλεγμα μορίων RNA και πρωτεϊνών, τα οποία επιτελούν τη διαδικασία της μετάφρασης, δηλαδή την παραγωγή πρωτεϊνών κάτω από τις οδηγίες του DNA. Αρχικά, οι πληροφορίες των γονιδίων μεταγράφονται σε μόρια RNA, και τα μόρια αυτά μεταφράζονται σε πρωτεΐνες από το ριβόσωμα.

Το ριβόσωμα είναι το παλιό μοριακό 'εργοστάσιο' υπεύθυνο για τη σύνθεση των πρωτεϊνών σε όλους τους οργανισμούς. Χρησιμοποιώντας ένα νέο εργαλείο, η ομάδα του Los Alamos, που καθοδηγείται από τον Kevin Sanbonmatsu, για πρώτη φορά παρατήρησε ολόκληρο το ριβόσωμα σε κίνηση, με μία λεπτομέρεια σε επίπεδο του ατόμου. Η πρώτη αυτή προσομοίωση του ριβοσώματος προσφέρει μια νέα μέθοδο για να φτιαχτούν νέα αντιβιοτικά, όπως  για την ασθένεια του άνθρακα. Μέχρι τώρα ήταν διαθέσιμες μόνο δομές στατικών στιγμιότυπων του ριβοσώματος.

Τα ριβοσώματα των βακτηρίων διαφέρουν από τα ριβοσώματα των περισσότερων άλλων οργανισμών, και γι' αυτό οι διαφορές επιτρέπουν την ανάπτυξη αντιβιοτικών.

Ο Sanbonmatsu πιστεύει ότι αυτή η τεχνική θα προσφέρει ένα ισχυρό εργαλείο για την δημιουργία αποτελεσματικών αντιβιοτικών. Τα αντιβιοτικά φάρμακα είναι μικρότερα από το ένα χιλιοστό του μεγέθους του ριβοσώματος και αυτού του είδους τα φάρμακα διαχέονται στις κρισιμότερες περιοχές αυτής της μοριακής μηχανής. Οι προσομοιώσεις αυτές επιτρέπουν στους ειδικούς να μάθουν τι συμβαίνει ακριβώς μέσα στο ριβόσωμα. Θέλουν δε ειδικά να αποκαλυφθούν θέσεις πάνω στο ριβόσωμα πάνω στις οποίες θα μπορούσαν να δράσουν νέα φάρμακα.

Η εργασία αυτή ενώνει τα πεδία της βιοχημείας, της πληροφορικής, της μοριακής βιολογίας, της φυσικής, της δομικής βιολογίας και της επιστήμης των υλικών, σε μια νέα περιοχή μελέτης την νανοκλίμακα.

Ειδικά η μελέτη του Sanbonmatu εστιάζεται στην αποκωδικοποίηση κατά τη φάση της πρωτεϊνικής σύνθεσης μέσα στο κύτταρο, όπου μεταφέρονται οι πληροφορίες από το RNA για την κατασκευή της πρωτεΐνης, ολοκληρώνοντας έτσι τις πληροφορίες, που ξεκίνησαν από τον Francis Crick το 1958 και που είναι γνωστό ως το Κεντρικό Δόγμα της μοριακής βιολογίας. "Το ριβόσωμα είναι, στην πραγματικότητα, ένας υπολογιστής νανο-κλίμακας και είναι σαν το CPU του κυττάρου", λέει ο ερευνητής.

Το ριβόσωμα είναι τόσο θεμελιώδες για τη ζωή που πολλά μέρη αυτής της μοριακής μηχανής είναι ίδια σε κάθε οργανισμό. Κατά την ανάπτυξη του προγράμματος, η ομάδα προσδιόρισε μια 'πύλη' μέσα στο ριβόσωμα, μέσω του οποίου το μεταφορικό RNA πρέπει να περάσει για να γίνει η αποκωδικοποίηση, και δείχνει το ριβόσωμα να κατασκευάζεται σχεδόν εξ ολοκλήρου με καθολικές - αρχαίες βάσεις. Αυτό το τελευταίο στοιχείο υπονοεί ότι το ριβόσωμα είναι η εξέλιξη πολύ αρχαίων δομών.

Η 'πύλη' αυτή αντιπροσωπεύει μια νέα περιοχή του ριβοσώματος που περιέχει διάφορους πιθανούς νέους αντιβιοτικούς στόχους. Οι προσομοιώσεις επίσης αποκαλύπτουν ότι το βασικό μόριο της μετάφρασης των οδηγιών, το μεταφορικό RNA, πρέπει να είναι εύκαμπτο σε δύο θέσεις για να συμβεί η αποκωδικοποίηση. Έτσι αυξάνεται η πεποίθηση ότι το μεταφορικό RNA είναι σημαντικό για τη λειτουργία του ριβοσώματος.

Η προσομοίωση θέτει τις βάσεις για τη μελλοντική βιοχημική έρευνα, πρώτον για τον προσδιορισμό των 20 καθολικών διατηρημένων ριβοσωματικών βάσεων, και δεύτερον για τη νέα δομική πύλη, η οποία μπορεί να ενεργήσει ως μηχανισμός ελέγχου κατά τη διάρκεια της επιλογής του μεταφορικού RNA μεταφοράς.

Η προσομοίωση έτρεξε σε 768 από τους 8.192 διαθέσιμους επεξεργαστές της μηχανής "Q", ενώ μπορεί να εκτελεί 13,8 τρισεκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλεπτο, τη στιγμή που ο νέος ισχυρότερος υπερυπολογιστής του κόσμου, ο Blue Gene/L της IBM, μπορεί να εκτελεί 136 τρισεκατομμύρια με μόλις τους μισούς επεξεργαστές του εγκατεστημένους

Η εργασία δημοσιεύεται στα πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας των Επιστημών.