Quase uma dúzia de cientistas do Oak Ridge National Laboratory estão se unindo a pesquisadores médicos e aproveitando as maiores ferramentas científicas do ORNL para resolver um grande desafio da biologia moderna:desvendar os segredos das proteínas desordenadas. Acredita-se que essas moléculas flexíveis constituam até metade das proteínas do corpo humano, mas são mal compreendidas porque não encontramos uma maneira de estudar adequadamente suas propriedades.

Foi apenas na última década que os cientistas passaram a aceitar que de um terço a metade das proteínas humanas não seguem a regra outrora sagrada da biologia molecular:as proteínas se dobram em estáveis, formas tridimensionais. Em vez de, proteínas desordenadas estão constantemente em ciclo entre diferentes formas. Eles são essenciais para o circuito celular, e seu mau funcionamento está diretamente implicado em doenças como o câncer, Alzheimer, condições cardiovasculares, e diabetes. Compreender sua natureza complexa pode levar a importantes descobertas de novos medicamentos.

Em um projeto de pesquisa dirigido por laboratório lançado este ano, Os cientistas do ORNL estão combinando experimentação e simulação em um esforço para trazer clareza ao funcionamento interno dessas proteínas. O projeto inclui colaboradores do Laboratório Nacional de Frederick para Pesquisa do Câncer - patrocinado pelo Instituto Nacional do Câncer como parte do National Institutes of Health (NIH).

Os movimentos internos das proteínas desordenadas os tornam particularmente difíceis de caracterizar, observou Arvind Ramanathan da Divisão de Engenharia e Ciência Computacional e do Instituto de Ciências de Dados de Saúde do ORNL. As proteínas desafiam as ferramentas padrão de caracterização, como a cristalografia de raios-X, porque resistem à cristalização.

"É como tirar fotos 2-D de alguém de diferentes orientações e, de repente, você é solicitado a fazer uma renderização 3-D dessa pessoa, "Ramanathan disse.

"Agora imagine se essa pessoa está pulando de um lado para o outro. Você verá muitos recursos estranhos nessa renderização e algumas partes podem até desaparecer, "disse o investigador principal Hugh O'Neill da Divisão de Dispersão de Nêutrons.

Os pesquisadores usarão o espalhamento de nêutrons na Fonte de Nêutrons de Espalação no ORNL e imagens de microscopia crioeletrônica (cryo-EM) do Laboratório Nacional de Frederick para dar uma boa estimativa da aparência das partículas em termos de forma e tamanho geral, e fornecer pontos de referência para um modelo 3-D.

"Estamos entusiasmados em ver mais e mais laboratórios aproveitando nossas instalações compartilhadas de crio-EM, "disse Ethan Dmitrovsky, M.D., presidente da Leidos Biomedical Research, Inc. e diretor de laboratório do Laboratório Nacional Frederick. "Este projeto em particular tem potencial especial para uma nova área de pesquisa que pode aliviar o sofrimento de pacientes com câncer e outras doenças."

Os nêutrons são sensíveis ao hidrogênio, não destrutivo, e permitem estudar as proteínas em tempo real, sob condições do mundo real. O método crio-EM realizado em imagens congeladas de Frederick, espécimes hidratados, permitindo resolução molecular sem a necessidade de corantes ou fixadores. Os pesquisadores terão como alvo específico a proteína neurofibromatose tipo 1 e suas interações com os parceiros de ligação. Mutações em NF1 são conhecidas por causar neurofibromatose e têm sido implicadas em câncer.

Os dados passarão por um processo de reconstrução guiada por algoritmos para eliminação de "ruídos" nas imagens. Em seguida, o modelo resultante será usado em simulações de computador auxiliadas por aprendizado de máquina para explorar certas regiões das proteínas para obter um melhor entendimento da orientação das partículas.

Combinando crio-EM, espalhamento de pequeno ângulo, e a computação possibilitará a geração de modelos atomísticos para chegar a resoluções sub-nanométricas para essas proteínas.

"Basicamente, os experimentalistas vão lidar com o espalhamento em pequenos ângulos, o trabalho de cristalografia e o crio-EM. Em seguida, os cientistas da computação pegarão todos esses dados experimentais díspares e os juntarão para nos dar uma imagem de como é a proteína, "O'Neill disse.

O projeto envolve cientistas de três diretorias do ORNL:Neutron Sciences, Computação e Ciências da Computação, e Ciências da Energia e Ambientais.

"A computação une tudo. Isso se tornará, Eu penso, muito comum na biologia estrutural - esta ideia de integrar diferentes modalidades experimentais que são unidas por computação, "Ramanathan acrescentou.

Na verdade, os cientistas esperam que o trabalho computacional esteja entre os primeiros projetos a utilizar o Summit, programado para ficar online este ano como o mais inteligente do mundo, supercomputador de código aberto para aplicativos de inteligência artificial no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) do DOE no ORNL.

"Este trabalho serve como um exemplo maravilhoso de como podemos combinar várias instalações de usuários de ciências, nesse caso, o OLCF, a [DOE] Fonte de Nêutrons de Espalação, e a Instalação de Microscopia Crioeletrônica Nacional do Frederick National Laboratory no Frederick National Laboratory para promover as missões DOE e NIH, "disse Paul Gilna, diretor de biossegurança e iniciativas biomédicas do ORNL.

A pesquisa tem aplicações não apenas para o trabalho do ORNL no espaço biomédico, mas também é pertinente ao seu trabalho em bioenergia e toxicidade de mercúrio - áreas relevantes para o programa de Pesquisa Biológica e Ambiental do DOE. A pesquisa poderia, por exemplo, ajudam os cientistas a desenvolver micróbios que são melhores em digerir e converter plantas-primas em biocombustíveis.