Científics de les universitats Lliure de Berlín (FU Berlín) i Pompeu Fabra de Barcelona han creat per primera vegada una simulació computacional que descriu l'associació i dissociació de proteïnes al nivell atòmic. Els resultats, que s’han publicat recentment a la revista científica Nature Chemistry, han estat validats amb dades experimentals.

Quasi tots els processos que es porten a terme en el nostre cos depenen de l'acció de les proteïnes. Aquestes es mouen al voltant de les nostres cèl·lules i poden associar-se i dissociar-se entre elles per transmetre informació o fins i tot fabricar matèria viva. Els nostres músculs, per exemple, estan formats per proteïnes que s'agrupen en fibres llargues. En moure els músculs, les fibres musculars llisquen gràcies als contactes proteïna-proteïna. Una fibra tira de l'altra per exercir la força muscular i després els primers contactes proteïna-proteïna se separen per donar lloc a altres de nous.

Un procés costós computacionalment i temporal

Fins ara, ningú ha pogut observar en detall atòmic com s'associen les proteïnes. El problema és que són extremadament petites, mesuren aproximadament una milmilionèsima part d'un metre, i les seves estructures fluctuen molt, fent d'aquest un procés invisible per als microscopis o altres tècniques experimentals.

Els grups de recerca de Frank Noé a la FU Berlin i del professor d'investigació ICREA Gianni De Fabritiis a la UPF han col·laborat per crear una simulació per ordinador dels detalls atòmics de les interaccions entre les proteïnes. El repte principal al qual s'han enfrontat els investigadors és la gran dificultat per simular la dinàmica de les molècules: primer es computen les interaccions d’uns 100.000 àtoms i s'avalua la força exercida sobre cadascun d'ells. Un cop obtingudes aquestes dades, el programa de simulació mou cada àtom en la direcció de la força durant un femtosegon - una fracció minúscula (la milbilionéssima part) d'un segon. Cadascun d'aquests passos és molt costós des del punt de vista computacional i necessiten realitzar-ne milers de milions i repetir-los un bilió de vegades per poder simular el moviment que es dóna en una hora, que és el temps que romanen unides les proteïnes abans de dissociar-se de nou.

La simulació en dinàmiques moleculars d'associació de proteïnes es pensava impossible de realitzar a nivell computacional a causa del temps que es necessita per prendre mostres del procés bioquímic: fins i tot utilitzant un superordinador, es calcula que el procés hauria requerit 10.000 anys per ser completat. Els investigadors, però, han aconseguit finalitzar el seu estudi en un any. “Aquest és el tipus de projecte d'alt risc per al qual és molt difícil obtenir finançament, perquè en començar-lo, ningú creia que era possible”, comenta Noé.

La clau de l'èxit de l'equip ha estat la combinació de diverses noves tecnologies que els han permès adoptar l'estratègia “divideix i venceràs”. Els científics van utilitzar la xarxa GPUGRID, desenvolupada pel grup de De Fabritiis, per emmagatzemar el temps de computació en unitats de processament gràfic (GPUs) de l’empresa Nvidia de voluntaris d’arreu el món. Milers de simulacions curtes es van dur a terme d'aquesta manera, coordinades per un innovador algoritme d'aprenentatge per tal de simular el procés d'associació global de proteïnes en un any en lloc d'haver d'esperar-ne 10.000. El model de Markov plantejat per l'equip de Noé va ser utilitzat per combinar les simulacions en un model dinàmic general que descriu minuciosament l'associació i dissociació de proteïnes.

“Aquesta ha estat clarament una prova de concepte arriscada però important, i estem molt contents d'haver demostrat que les simulacions són capaces de captar associacions entre proteïnes”, comenta De Fabritiis, cap del grup de Biofísica Computacional del Programa de Recerca en Informàtica Biomèdica (GRIB), programa conjunt de la Universitat Pompeu Fabra i l'Institut Hospital del Mar d'Investigacions Mèdiques (IMIM).

Núria Plattner, autora principal de l'estudi, explica la rellevància dels resultats: “Les nostres simulacions revelen molts detalls desconeguts fins el moment sobre com troben i s'uneixen les proteïnes es entre si. A més, hem demostrat que és possible estudiar les interaccions proteïna-proteïna al nivell dels àtoms”. Aquest èxit obre les portes a la comprensió de molts processos biològics, com els detalls de les infeccions virals, el funcionament intern del sistema immunològic i molts altres problemes de rellevància biomèdica o biotecnològica.

Aquest projecte ha rebut el suport del Consell Europeu de Recerca (ERC), la Fundació Alemanya d'Investigació (DFG), el Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i la Fundació Einstein de Berlín.

Article de referència: Nuria Plattner, Stefan Doerr, Gianni De Fabritiis, Frank Noé. Complete protein–protein association kinetics in atomic detail revealed by molecular dynamics simulations and Markov modelling. Nature Chemistry, Juny 2017. DOI: 10.1038/NCHEM.2785