Stampede2, Simulasi Bridges menunjukkan titik lemah pada nukleokapsid virus – ScienceDaily

Stampede2, Simulasi Bridges menunjukkan titik lemah pada nukleokapsid virus – ScienceDaily

[ad_1]

Di tengah pandemi global COVID-19, sulit untuk menghargai betapa beruntungnya orang-orang di luar Afrika untuk menghindari penyakit virus Ebola yang mematikan. Penyakit ini melumpuhkan korbannya segera setelah terinfeksi dengan muntah atau diare besar-besaran, yang menyebabkan kematian karena kehilangan cairan pada sekitar 50 persen penderita. Virus Ebola hanya ditularkan melalui cairan tubuh, menandai perbedaan utama dari virus COVID-19 dan virus yang membantu menahan penyebaran Ebola.

Wabah Ebola terus berkobar di Afrika Barat, meskipun vaksin dikembangkan pada Desember 2019 dan perbaikan dalam perawatan dan penanggulangan telah membantu mengendalikan Ebola. Simulasi superkomputer oleh tim University of Delaware yang menyertakan seorang sarjana yang didukung oleh program XSEDE EMPOWER menambah campuran dan membantu memecahkan pertahanan materi genetik melingkar Ebola. Penelitian baru ini dapat membantu menghasilkan terobosan dalam pengobatan dan peningkatan vaksin untuk Ebola dan penyakit virus mematikan lainnya seperti COVID-19.

“Penemuan utama kami terkait dengan stabilitas nukleokapsid Ebola,” kata Juan R. Perilla, asisten profesor di Departemen Kimia dan Biokimia di Universitas Delaware. Perilla menulis bersama sebuah penelitian yang diterbitkan pada Oktober 2020 di AIP Jurnal Fisika Kimia. Ini berfokus pada nukleokapsid, cangkang protein yang melindungi tubuh dari bahan genetik yang digunakan Ebola untuk mereplikasi dirinya sendiri.

“Apa yang kami temukan adalah bahwa virus Ebola telah berevolusi untuk mengatur stabilitas nukleokapsid dengan membentuk interaksi elektrostatis dengan RNA-nya, materi genetiknya,” kata Perilla. “Ada interaksi antara RNA dan nukleokapsid yang membuatnya tetap bersama.”

Seperti virus corona, virus Ebola bergantung pada nukleokapsid berbentuk heliks dan berbentuk batang untuk menyelesaikan siklus hidupnya. Secara khusus, protein struktural yang disebut nukleoprotein berkumpul dalam susunan heliks untuk merangkum genom RNA virus untai tunggal (ssRNA) yang membentuk nukleokapsid.

Studi oleh Perilla dan tim sainsnya mencari determinan molekuler dari stabilitas nukleokapsid, seperti bagaimana materi genetik ssRNA dikemas, potensi elektrostatis sistem, dan pengaturan residu dalam perakitan heliks. Pengetahuan ini penting untuk mengembangkan terapi baru melawan Ebola. Namun wawasan ini tetap tidak terjangkau bahkan oleh laboratorium eksperimental terbaik dunia. Simulasi komputer, bagaimanapun, dapat dan memang mengisi celah itu.

“Anda dapat menganggap pekerjaan simulasi sebagai perpanjangan teoritis dari pekerjaan eksperimental,” kata rekan penulis studi Tanya Nesterova, seorang peneliti sarjana di Lab Perilla. “Kami menemukan bahwa RNA bermuatan sangat negatif dan membantu menstabilkan nukleokapsid melalui interaksi elektrostatis dengan sebagian besar nukleoprotein bermuatan positif,” katanya.

Nesterova mendapatkan dana melalui beasiswa XSEDE Expert Mentoring Producing Opportunities for Work, Education, and Research (EMPOWER) pada tahun 2019, yang mendukung para sarjana berpartisipasi dalam pekerjaan nyata XSEDE.

“Itu adalah program yang efektif,” katanya. “Kami menggunakan sumber daya komputasi seperti Bridges musim panas ini. Kami juga melakukan komunikasi rutin dengan koordinator untuk menjaga kemajuan kami pada jalurnya.”

Tim mengembangkan simulasi dinamika molekuler dari nukleokapsid Ebola, sebuah sistem yang mengandung 4,8 juta atom. Mereka menggunakan struktur mikroskop elektron-cryo dari virus Ebola yang diterbitkan di Nature pada Oktober 2018 untuk data mereka dalam membangun model.

“Kami membangun dua sistem,” kata rekan penulis studi Chaoyi Xu, seorang mahasiswa PhD di Perilla Lab. “Satu sistem adalah nukleokapsid Ebola dengan RNA. Dan sistem lainnya hanya nukleokapsid sebagai kontrol.”

“Setelah kami membangun seluruh tabung, kami menempatkan setiap nukleokapsid di lingkungan yang mirip dengan sel,” jelas Xu. Mereka pada dasarnya menambahkan ion natrium klorida, dan kemudian menyesuaikan konsentrasinya agar sesuai dengan yang ditemukan di sitoplasma. Mereka juga menempatkan kotak air di dalam sekitar nukleokapsid. “Dan kemudian kami menjalankan simulasi yang sangat kuat,” tambah Xu.

Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) yang didanai NSF memberikan alokasi superkomputer tim pada sistem Stampede2 di Texas Advanced Computing Center dan sistem Bridges dari Pittsburgh Supercomputing Center.

“Kami sangat berterima kasih atas sumber daya superkomputer yang disediakan oleh XSEDE yang memungkinkan pekerjaan ini menjadi mungkin. XSEDE juga memberikan pelatihan melalui kursus online yang sangat membantu,” kata Xu.

“Di Stampede2, kami memiliki akses untuk menjalankan simulasi di ratusan atau bahkan ribuan node,” lanjut Xu. “Ini memungkinkan kami menjalankan simulasi sistem yang lebih besar, misalnya nukleokapsid Ebola. Simulasi ini tidak mungkin diselesaikan secara lokal. Itu sangat penting,” katanya.

“Saya suka bagaimana dengan Bridges, ketika Anda menjalankan simulasi, Anda bisa mendapatkan informasi terbaru tentang kapan selesai dan kapan itu dimulai,” tambah Nesterova. Dia mengatakan itu sangat membantu untuk membuat skrip Slurm, yang membantu mengelola dan menjadwalkan pekerjaan di cluster komputasi.

“Kami baru mulai menggunakan Frontera untuk proyek Ebola,” tambah Xu. Frontera adalah sistem Tier 1 unggulan NSF di TACC, peringkat # 9 di dunia oleh Top500. “Lebih bertenaga karena memiliki arsitektur CPU terbaru. Dan sangat cepat,” katanya.

“Frontera adalah bagian dari infrastruktur TACC,” kata Perilla. “Kami tahu alat pengembangan apa yang akan ada di sana, dan juga sistem antrian dan kerumitan lain dari mesin ini. Itu sangat membantu. Dalam hal arsitektur, kami akrab dengan Stampede2, meskipun ini adalah mesin yang berbeda. Pengalaman kami dengan Stampede2 memungkinkan kami bergerak cepat untuk mulai menggunakan Frontera, “ujarnya.

Tim sains mensimulasikan interaksi atom dalam nukleokapsid virus Ebola dan mengukur bagaimana mereka berubah dalam waktu, menghasilkan informasi yang berguna tentang interaksi atom. Salah satu hal yang mereka temukan adalah bahwa tanpa RNA, nukleokapsid virus Ebola tetap berbentuk seperti tabung. Tetapi pengepakan monomer nukleoprotein menjadi tidak teratur, dan simetri heliksnya hilang. Dengan RNA, ia mempertahankan heliksnya. Hasilnya menunjukkan bahwa ikatan RNA menstabilkan heliks dan menjaga struktur nukleokapsid virus Ebola.

Tim juga menemukan interaksi penting antara residu nukleoprotein dan ssRNA, dan juga interaksi antara dua nukleoprotein.

“Ada dua jenis antarmuka antara pasangan nukleoprotein yang membentuk susunan heliks. Kami menemukan antarmuka mana yang memainkan peran yang lebih penting. Kita dapat menargetkan antarmuka tersebut untuk mengacaukan pengaturan heliks atau menstabilkan pengaturan heliks secara luas. sedemikian rupa sehingga nukleokapsid virus tidak dapat dibongkar, “kata rekan penulis studi Nidhi Katyal, seorang peneliti postdoctoral di Lab Perilla.

Virus Ebola adalah salah satu organisme yang tangguh karena mengatur secara ketat perakitan makromolekulernya. Perilla menyarankan bahwa alih-alih mencoba merancang obat yang menghancurkan nukleokapsid, strategi yang baik mungkin melakukan yang sebaliknya.

“Jika dibuat terlalu stabil, itu cukup untuk membunuh virus,” katanya. Meminjam strategi dari latar belakangnya dalam penelitian HIV, dia ingin menemukan target obat untuk menstabilkan virus Ebola secara berlebihan dan mencegahnya melepaskan materi genetiknya, langkah kunci dalam replikasinya.

Perilla menyarankan strategi serupa untuk patogen lain yang diatur secara ketat, seperti virus corona dan virus hepatitis B. “Mereka adalah sweet spot, jadi untuk berbicara. Kami tahu apa yang memberikan stabilitas. Tim lain dapat melihat apakah mungkin ini adalah situs druggable yang bagus untuk membuatnya menjadi hypostable atau membuatnya menjadi hyperstable,” kata Perilla.

Ke depan, Perilla mengindikasikan labnya akan melihat lebih dekat spesifikasi sekuens ssRNA dan apakah itu memberikan stabilitas pada tabung nukleokapsid virus Ebola. Jika ya, maka beberapa daerah mungkin terekspos dan mungkin ditranskripsikan terlebih dahulu, serupa dengan apa yang terjadi di inti sel. Perilla mengatakan itu akan menjadi “tidak pernah terdengar dalam virus,” dan perilaku yang sangat maju dalam hal transkripsi yang mengatur RNA.

Kata Perilla: “Kami tahu bahwa akan ada lebih banyak patogen yang terus berdatangan, terutama dengan virus corona sekarang, dan mereka dapat menghentikan dunia. Ini bermanfaat bagi masyarakat yang memiliki kemampuan untuk mempelajari tidak hanya satu virus, tetapi menggunakan teknik ini untuk mempelajari virus baru, seperti virus korona. Selain itu, kemampuan untuk melatih siswa baru, seperti Tanya, memberikan nilai uang bagi pembayar pajak dalam hal melatih generasi berikutnya, mentransfer pengetahuan dari virus lain, dan memerangi masalah saat ini. “

Untuk Informasi Lebih lanjut silahkan Kunjungi : Togel Singapore

Author Image
adminProzen