Alguns dos processos mais essenciais do planeta envolvem a entrada e saída de água e energia das células.

Os porteiros celulares responsáveis ​​por este acesso são conhecidos como aquaporinas e transportadores de glicose, duas famílias de proteínas que facilitam o fluxo rápido e seletivo de água, glicose e outras pequenas substâncias através das membranas biológicas.

As aquaporinas estão presentes em todos os reinos da vida, demonstrando seu papel central na manutenção da saúde de todos os organismos. A primeira aquaporina foi descoberta em 1992, ganhando seu descobridor, Peter Agre, o Prêmio Nobel de Química em 2003. Desde então, mais de 450 aquaporinas individuais foram identificadas.

Experimentos baseados em computador - em particular simulações de dinâmica molecular (MD) - provaram ser importantes para determinar como os materiais permeiam através de proteínas de canal em nível molecular.

De acordo com Liao Chen, as descrições dos transportadores de glicose em livros didáticos subestimaram a complexidade de como essas proteínas operam. Experimentos e cristalografia de raios-X só podem capturar muitos detalhes, e as simulações de computador têm sido limitadas em sua capacidade de modelar sistemas em grande escala que incluem as complexidades de membrana envolvidas na passagem, e outros fatores.

Chen estudou esse problema usando supercomputadores no Texas Advanced Computing Center (TACC) por mais de uma década, com precisão e complexidade crescentes.

"Como um físico teórico, Eu acredito firmemente no que Richard Feynman disse:que tudo o que os seres vivos fazem pode ser entendido em termos de balanços e movimentos dos átomos, "Chen disse." Nós tentamos construir uma ponte entre o movimento e o movimento de milhões de átomos e o comportamento determinístico muito simples dos sistemas biológicos. "

Desde 2019, ele aplicou o poder de modelagem do Frontera - um dos supercomputadores mais poderosos do mundo - para investigar como as aquaporinas e os transportadores de glicose nos glóbulos vermelhos humanos movem a água e a glicose para dentro e para fora da célula.

"Estamos construindo modelos de proteínas de membrana a partir de átomos, incluindo seu ambiente imediato na membrana, "Chen disse." A membrana é composta de lipídios e os folhetos internos e externos são assimétricos. Qualitativamente, entendemos como a água e a glicose se movem, mas ninguém modelou a membrana corretamente para precisão quantitativa, que é uma norma em outros ramos da física. Estamos nos movendo nessa direção. "

A pesquisa de Chen encontrou diferenças significativas entre os resultados produzidos por modelos simples e os mais realistas que ele usa.

"Com Frontera, temos sido capazes de nos aproximar da realidade e alcançar um acordo quantitativo entre experimentos e simulações de computador, " ele disse.

Além da função biológica básica das aquaporinas e transportadores de glicose, essas proteínas estão implicadas em doenças como a síndrome de Vivo, um distúrbio neurológico, e múltiplas formas de câncer. Em abril de 2020, Chen publicou um artigo em Fronteiras na Física aplicar a pesquisa a um parasita causador de doenças que é um análogo útil do vírus que causa a malária em humanos. Os pesquisadores também estão investigando a manipulação dessas proteínas como um tratamento para certos tipos de câncer - limitando a disponibilidade dos nutrientes necessários para interromper o crescimento de tumores.

O movimento da água para dentro e para fora das células envolve o mais simples dos transportadores de membrana. Contudo, os transportadores de glicose que conduzem a glicose - que fornece a energia necessária a todas as células - através das membranas celulares são mais complicados.

"O mecanismo de transporte da glicose é controverso, mas acredito que agora estamos muito perto da resposta, "Chen disse.

Há muito tempo que se presume que os transportadores de glicose obedecem à teoria do acesso alternado, como muitas outras proteínas da superfamília dos principais facilitadores. As proteínas nesta superfamília têm dois grupos de hélices transmembrana que teoricamente oscilam entre si. Dessa forma, a proteína pode ser aberta no lado extracelular para permitir que um açúcar entre na proteína. Em seguida, os dois grupos oscilam para que a proteína se abra para o lado intracelular, permitindo que o açúcar deixe a proteína e entre no citoplasma. A proteína continua alternando entre as conformações abertas para fora e abertas para dentro para transportar a energia necessária ao metabolismo celular.

Contudo, os transportadores de glicose são distintos dos outros membros dessa enorme superfamília de proteínas transportadoras. Ao contrário dos outros membros que são transportadores ativos com suprimentos de energia à sua disposição, os transportadores de glicose são facilitadores passivos; eles não têm um suprimento de energia que lhes permita operar. Chen acreditava que os transportadores de glicose podem não obedecer à teoria do acesso alternado e começou a examinar os transportadores de glicose 1 e 3 muito de perto.

"Nossos estudos indicam que, uma vez que colocamos este transportador simples nas células, se você usar uma membrana assimétrica, o transportador não precisa passar por um mecanismo de acesso alternativo, "Disse Chen." Na verdade, tem um portão no lado extracelular que oscila entre ser aberto e fechado com base na temperatura corporal. Então esse é um exemplo de diversidade no mecanismo das proteínas transportadoras. "

Chen publicou dois artigos sobre este tópico específico até agora. Escrevendo em ACS Chem. Neurociência , sua equipe forneceu um estudo quantitativo do transportador de glicose 3, que é comum no sistema nervoso central e, portanto, chamado de transportador neuronal de glicose. Em um artigo mais recente em Comunicações de pesquisa bioquímicos e biofísicos , eles sugeriram a nova possibilidade de como os transportadores de glicose operam.

A equipe de Chen também faz experiências de laboratório para ver o comportamento geral da célula, e obter uma verdade básica para comparar seus modelos. Mas os supercomputadores são necessários para obter os detalhes mecanísticos específicos.

Em abril de 2020, Chen foi premiado com 200, 000 horas de nó no Frontera para modelar os canais de proteína com mais detalhes.

"Em Frontera, cada núcleo é mais rápido e o sistema é enorme, para que possamos modelar sistemas maiores muito mais rápido, "ele disse." Sistemas maiores são uma obrigação. Quando você lida com sistemas pequenos, você não está perto da realidade. "