Oamenii de știință au încercat mult timp să înțeleagă modul în care este construită capsidă HIV și pentru aceasta au folosit o varietate de tehnici de laborator, cum ar fi criomicroscopie electronică, tomografie crio-MS, spectroscopie prin rezonanță magnetică nucleară și cristalografie cu raze X, pentru a privi părți individuale ale capidei pentru a dezvălui detalii și a obține un sens complet.
Cu toate acestea, până la sosirea supercomputatorilor petascale, nimeni nu a putut aduna întreaga capsidă HIV, un set de peste 1.300 de proteine identice care formează o structură în formă de con, detaliate la nivel atomic. Simulările care adaugă piesele lipsă din puzzle au fost efectuate în timpul testelor „Blue Waters”, un nou supercomputer de la Centrul Național pentru Aplicații de Supercomputare al Universității din Illinois, din Urbana-Champaign, Statele Unite.
„Aceasta este o structură mare, una dintre cele mai mari structuri rezolvate vreodată”, a spus Klaus Schulten, profesor de fizică al Universității din Illinois, care, împreună cu cercetătorul postdoctoral Juan R. Perilla, a realizat simulările moleculare ale datelor. integrat din experimentele de laborator efectuate de colegii de la Universitatea din Pittsburgh și de la Universitatea din Vanderbilt, ambele din Statele Unite. "Era foarte clar că ar fi nevoie de o mulțime de simulări, cea mai mare simulare publicată vreodată. Participarea a 64 de milioane de atomi", a spus el.
Cercetările anterioare au arătat că capsidul HIV conține o serie de proteine identice. Oamenii de știință știau că proteinele sunt aranjate în pentagoni și hexagoane și au presupus că pentagonii formează cele mai puternic rotunjite colțuri ale capidei formează visao cu un microscop electronic, dar nu știau câte dintre aceste blocuri de proteine sunt necesare sau cum sunt pentagonii și Hexagonii se alătură pentru a forma capsidul.
Regizată de profesorul de biologie structurală Peijun Zhang, echipa din Pittsburgh a expus componentele de bază ale capidei la condiții de salinitate ridicată, ducând proteinele să se alăture în tuburi din hexagoane. Alte experimente au relevat interacțiuni între regiuni specifice de proteine care sunt „fundamentale pentru asamblarea capsidei și stabilitatea virală și infecțiozitatea”, raportează cercetătorii.
De asemenea, echipa a efectuat o tomografie crioelectronică a capsidei complete, tăiată în secțiuni pentru a avea o idee aproximativă a formei sale generale. Perilla și Schulten au utilizat datele din aceste experimente și din propriile lor simulări ale interacțiunilor dintre hexameri și pentameri pentru a efectua o serie de simulări pe scară largă pe computer care reprezentau proprietățile structurale ale blocurilor de construcție ale capsidei.
„Munca de potrivire a capsidei generale, formată din 64 de milioane de atomi, cu diferitele date experimentale poate fi făcută doar prin simularea computerului folosind o metodologie pe care am dezvoltat-o numită ajustare flexibilă a dinamicii moleculare”, a explicat Schulten. Practic este de a simula caracteristicile fizice și comportamentul moleculelor biologice mari, pe lângă încorporarea datelor în simulare, astfel încât modelul să se deplaseze efectiv către o concordanță cu datele. "
Simulările au relevat că capsidul HIV conținea 216 proteine hexagonale și 12 proteine pentagon aranjate ca date experimentale indicate. Proteinele care alcătuiesc acești pentagoni și hexagoni erau toate identice, dar, cu toate acestea, unghiurile de unire între ele variau de la o regiune a capidei la alta. "Acesta este într-adevăr misterul", a spus Schulten. "Cum poate un singur tip de proteină să formeze ceva atât de variat ca acesta? Proteina trebuie să fie inerent de flexibilă."
Pentagonii „induc curbura ascuțită a suprafeței”, au raportat cercetătorii, permițând capsidei să fie o structură închisă care nu ar fi fost posibilă dacă capsidul ar fi compus doar din hexagoni. Posesiunea unei structuri chimice detaliate a capsidului HIV va permite cercetătorilor să studieze în continuare modul în care funcționează, cu implicații pentru intervenții farmacologice pentru a perturba această funcție, a spus Schulten.
"Capsidul HIV are de fapt două case complet opuse", a spus cercetătorul. "Materialul genetic trebuie protejat, dar, odată ajuns în celulă, trebuie să elibereze materialul genetic la un moment foarte bun: nu prea repede. e bine, prea lent nu e bine ”. În această privință, el a explicat că momentul deschiderii capsidei este esențial pentru gradul de virulență a virusului, astfel că, în acest moment, este poate cea mai bună modalitate de a interfera cu infecția cu HIV.
