超级计算机模拟瞄准埃博拉的致命线圈

埃博拉病毒模拟

Stampede2,桥梁模拟显示病毒核衣壳中的薄弱点。

在全球大流行中新冠肺炎,很难欣赏非洲以外的幸运是如何避免致命的埃博拉病毒疾病。它在用巨大的呕吐或腹泻感染后很快就会消除受害者,导致液体损失的死亡约50%。埃博拉病毒仅通过体液透射,标记与Covid-19病毒的关键差异,并且有助于含有埃博拉的传播。

艾博拉爆发在西非继续爆发,尽管2019年12月发育的疫苗和护理和遏制的改进有助于保持埃博拉在检查中。由XSEDE授权计划提供的大学特拉华大学的超级计算机模拟,该团队包括XSEDEMOWER计划的本科,正在加入混合,并帮助破解埃博拉的卷曲遗传物质的防御。这项新的研究可以有助于导致治疗和改善埃博拉和其他致命病毒疾病如Covid-19的疫苗突破。

埃博拉尼核衣原体模拟

致命的埃博拉病毒屏蔽其RNA遗传物质在叫做核衣壳(上述)的蛋白质的线圈中。特拉华大学的Juan Perilla实验室完成了用(R)和没有(L)RNA的Nuclecapsid的全原子模拟,表明RNA赋予稳定性与病症没有。信贷:特拉华大学Juan R. Perilla

“我们的主要发现与埃博拉核衣壳的稳定性有关,”特拉华大学化学和生物化学系助理教授Juan R. Perilla表示。国外欧洲杯足球彩票佩里拉共同撰写了一个研究2020年10月在AIP化学物理学杂志上发表。国外欧洲杯足球彩票它专注于核衣壳,一种蛋白质壳,可防止身体的防御遗传物质埃博拉用于复制自己。

“我们发现的是,埃博拉病毒已经发展以通过形成与其静电相互作用来调节核衣壳的稳定性RNA.,其遗传物质,“佩里拉说。“RNA和核衣壳之间存在相互作用,使其保持在一起。”

像冠状病毒一样,埃博拉病毒取决于杆状和螺旋形的核衣壳,以完成其生命周期。特别地,称为核蛋白的结构蛋白质以螺旋形式组装,以包封形成核衣壳的单链病毒RNA基因组(SSRNA)。


用于原子分子动力学模拟的埃博拉病毒核衣壳系统的制备。病毒单体包含三个核蛋白结构域:n端臂(黄色)、n端叶(棕色)和c端叶(深绿色),以及结合RNA片段(红色)。信贷:特拉华大学Juan R. Perilla

佩里拉和他的科学团队的研究寻求核衣壳稳定性的分子决定因素,例如SSRNA遗传物质的包装,系统的静电电位以及螺旋组件中的残留装置。这种知识对于开发对埃博拉的新治疗方法至关重要。然而,即使世界上最好的实验实验,这些见解仍然遥不可及。然而,计算机模拟可以并确实填补了这种差距。

“您可以将模拟工作视为实验工作的理论延伸,”佩里拉实验室的本科研究员Tanya Nesterova学习说。“我们发现RNA高度负荷,有助于通过与主要带正电荷的核蛋白的静电相互作用稳定核衣壳,”她说。

纽斯特罗巴通过XSEDE专家授予资金,并通过2019年的工作,教育和研究(Empower)奖学金提供机会,支持本科生参与XSEDE的实际工作。

“这是一个有效的计划,”她说。“我们今年夏天使用桥牌等计算资源。我们还与协调员定期沟通,以保持我们的进步。“


埃博拉病毒核衣壳的分子表面表示,具有结合RNA。信贷:特拉华大学Juan R. Perilla

该团队开发了埃博拉尼核衣壳的分子动力学模拟,该系统含有480万原子的系统。他们使用埃博拉病毒的冷冻电子显微镜结构发表本质上2018年10月在建立模型时的数据。

“我们建造了两个系统,”佩里拉实验室的博士学位学生学习合着徐ch徐。“一个系统是具有RNA的埃博拉尼核桃蛋白。另一个是核衣壳作为控制。“

“在我们构建了整个管之后,我们将每个核衣壳放在类似于细胞的环境中,”徐解释说。它们基本上添加氯化钠离子,然后调节浓度以与细胞质中发现的匹配。他们还在核衣壳周围放一个水箱。“然后我们跑了一个非常强大的模拟,”徐补充道。

NSF资助的极限科学和工程发现环境(XSEDE)在德克萨斯高级计算中心和匹兹堡超级计算中心的桥梁系统上授予StumpEde2系统的团队超级计算分配。

“我们非常感谢XSEDE提供的超级计算机资源,使这项工作是可能的。徐说,XSEDE还通过有用的在线课程提供培训,“徐说。

中和高度充电的埃博拉病毒核衣壳

钠和氯离子中和高度充电的埃博拉病毒核衣壳。(a)钠(黄色)和氯化物(青色)离子占用;(b)静电势图(C)横截面。信用:三川大学朱安·佩里拉。

“在Stampede2上,我们可以访问数百甚至数千个节点的运行模拟,”徐继续。“这使得我们可以运行较大系统的模拟,例如埃博拉尼核桃膜。这种模拟是不可能在本地完成的。这非常重要,“他说。

“我喜欢桥梁,当你运行模拟时,你可以在完成时以及启动时最新,”Nesterova添加了。她说,有助于创建诽谤脚本,这有助于管理和安排计算群集中的作业。

“我们刚刚开始使用Frontera为埃博尔库项目,”徐补充道。Frontera是TACC的NSF旗舰层1系统,由Top500排名第9位。“它更强大,因为它具有最新的CPU架构。而且很快,“他说。

“Frontera是TACC基础设施的一部分,”Perilla说。“我们知道有哪些发展工具将在那里,以及这些机器的排队系统和其他复杂。这有助于很多。在架构方面,我们熟悉Stumpede2,虽然这是一个不同的机器。我们对StampEede2的经验使我们能够迅速移动开始使用Frontera,“他说。

埃博拉研究人员

Tanya Nesterova(左上角),胡安R. Perilla(右上角),朝鲜徐(左下角),南德利大学左右左右);Tacc的Jorge Salazar(顶级中心)。

科学团队模拟原子在埃博拉病毒核衣壳中的相互作用,并测量它们如何变化,产生有关原子相互作用的有用信息。他们发现的一个是没有RNA的东西,埃博拉病毒核衣壳保持其管状形状。但核蛋白单体的包装变得混乱,并且其螺旋对称丢失。用RNA,它保持其螺旋。它们的结果表明,RNA结合稳定螺旋并保留了埃博拉病毒核衣壳的结构。

该团队还发现核蛋白残基和SSRNA之间的重要相互作用,以及两个核蛋白之间的相互作用。

“形成螺旋排列的核蛋白对之间有两种界面。我们找出了这些界面中哪个起着更重要的作用。我们可以以这个界面为目标,破坏螺旋结构的稳定性,或者在很大程度上稳定螺旋结构,这样病毒的核衣壳就无法分解了。”

埃博拉病毒是一种强硬的生物,因为它紧紧地调节其大分子组件。佩里拉建议认为,而不是试图设计破坏核衣壳的药物,这是一个良好的策略可能是做相反的。

“如果你太稳定了,那就足以杀死病毒,”他说。借用艾滋病毒研究中的背景中的策略,他希望找到药物的目标,以过度稳定埃博拉病毒,并将其保留免除其遗传物质,是其复制的关键步骤。

Perilla建议对严格调节的其他病原体的类似策略,例如冠状病毒和乙型肝炎病毒。“他们是一个甜蜜的地方,所以说话。我们知道赋予稳定性的东西。其他团队可以看出这是一个很好的可用性遗址,可以使其不开发或使其不可用,“佩里拉说。

展望未来,佩里拉表示,他的实验室将在SSRNA序列的细节上看起来更密切,以及它是否赋予埃博拉病毒核衣壳管的稳定性。如果它确实,那么一些区域可能会暴露并且可以首先转录,类似于细胞核中发生的情况。佩里拉表示,在RNA调节转录方面,这将是“病毒中的闻所未闻”和极高的行为。

佩里拉说:“我们知道会有更多的病原体,只是继续到来,特别是与冠状病毒现在,他们可以阻止世界。它有利于具有学习的能力不仅有一种病毒,而是采取这些技术来研究新病毒,如冠状病毒。此外,培训新学生的能力,如坦尼亚,就培训下一代,从其他病毒转移知识以及对抗当前问题而言,为纳税人提供资金。“

该研究,“来自分子动力学模拟的埃博拉核衣壳稳定性的分子决定因素”,发表于10月2020年10月的AIP化学物理学杂志。共同作者是Chaoyi Xu,Nidhi Katyal,Tanya Nesterova和Juan R. Perilla,Department特拉华国外欧洲杯足球彩票大学化学与生物化学。研究资金来自国家科学基金会,特拉华州建立了刺激竞争力研究(EPSCOR)和美国国家卫生研究院的计划。

参考:“来自分子动力学模拟的埃博拉尼核衣壳稳定性的分子决定因素”由Chaoyi Xu,Nidhi Katyal,Tanya Nesterova和Juan R. Perilla,2020年10月20日,化学物理学报
DOI:10.1063 / 5.0021491

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