En algoritm som ska revolutionera upptäckten av 3D-proteinstruktur

En av de stora utmaningarna inom molekylärbiologi är att bestämma den tredimensionella strukturen hos stora biomolekyler som proteiner. Men detta är en berömd svår och tidskrävande uppgift.

Standardtekniken är röntgenkristallografi, vilket innebär att man analyserar röntgendiffraktionsmönstret från en kristall av molekylen som undersöks. Det fungerar bra för molekyler som lätt bildar kristaller.

Men många proteiner, kanske de flesta, bildar inte kristaller lätt. Och även när de gör det, antar de ofta onaturliga konfigurationer som inte liknar deras naturliga form.

Så att hitta ett annat tillförlitligt sätt att bestämma 3D-strukturen hos stora biomolekyler skulle vara ett stort genombrott. Idag säger Marcus Brubaker och ett par kompisar vid University of Toronto i Kanada att de har hittat ett sätt att dramatiskt förbättra en 3D-bildteknik som aldrig riktigt har matchat användbarheten av röntgenkristallografi.

Den nya tekniken bygger på en avbildningsprocess som kallas elektronkryomikroskopi. Detta börjar med en renad lösning av målmolekylen som fryses till en tunn film som bara är en enda molekyl tjock.

Denna film fotograferas sedan med en process som kallas transmissionselektronmikroskopi - den bombarderas med elektroner och de som passerar genom registreras. I huvudsak producerar detta tvådimensionella skugggram av molekylerna i filmen. Forskare väljer sedan ut varje skugggram och använder dem för att räkna ut den tredimensionella strukturen för målmolekylen.

Denna process är svår av flera anledningar. För det första är det en enorm mängd brus i varje bild så även den tvådimensionella skuggan är svår att urskilja. För det andra, det finns inget sätt att veta orienteringen av molekylen när skuggan togs, så att bestämma 3D-formen är en stor uppgift.

Standardmetoden för att lösa detta problem är lite mer än gissningar. Dröm upp en potentiell 3D-struktur för molekylen och rotera den sedan för att se om den kan generera alla skugggram i datamängden. Om inte, ändra strukturen, testa den och så vidare.

Uppenbarligen är detta en tidskrävande process. Den nuvarande toppmoderna algoritmen som körs på 300 kärnor tar två veckor att hitta 3D-strukturen för en enda molekyl från en datauppsättning med 200 000 bilder.

Brubaker och co har utvecklat en mycket snabbare metod som kan göra samma jobb på bara 24 timmar på en enda arbetsstation. Tekniken bygger på två algoritmiska innovationer.

Den första utnyttjar det faktum att bilderna är brusiga och därför innehåller stora mängder redundant information. Teamet kommer runt detta med hjälp av en algoritm som tar bort mycket av denna redundans och bara lämnar en delmängd av originaldata. Tricket är naturligtvis att bli av med den värdelösa datan samtidigt som de behåller de användbara sakerna, något de klarar av med hjälp av en maskininlärningsmetod.

Det minskar mängden data som måste bearbetas, men den huvudsakliga hastigheten kommer från den andra innovationen, en statistisk teknik som kallas betydelsesampling.

Huvudtanken här är att vissa bitar av data är viktigare än andra för att bestämma den slutliga 3D-strukturen. Så att hitta ett sätt att fokusera på dessa kan dramatiskt påskynda processen.

Brubaker och co har hittat just ett sådant tillvägagångssätt. Det visar sig att stora molekyler frysta till tunna filmer nästan alltid hamnar på sidan. Så skugggrammen visar nästan alltid molekylerna i denna ställning snarare än att de står på huvudet eller botten.

Att bygga in denna kunskap i algoritmen ökar dramatiskt hastigheten med vilken den sätter sig på en potentiell 3D-struktur eftersom den kan ignorera möjligheten att bilderna visar molekylen ovanifrån eller underifrån.

Den resulterande förbättringen är enorm. Detta leder till hastigheter på 100 000 gånger eller mer, vilket gör att strukturer kan bestämmas på en dag på en modern arbetsstation, säger Brubaker och co.

Teamet fortsätter med att demonstrera sin teknik på en uppsättning skugggram av två välkända biomolekyler. Den första datamängden består av mer än 46 000 bilder av en stor transmembranmolekyl som kallas ATP-syntas från termus thermophilus bakterie. Den andra består av nästan 6000 bilder av bovint mitokondriellt ATP-syntas.

Teamet syntetiserade också en tredje datamängd genom att ta 40 000 slumpmässiga skugggram av GroEL-GroES-(ADP)7, en biomolekyl med en känd struktur. De använde sedan sin algoritm för att arbeta bakåt för att återskapa den ursprungliga strukturen.

Slutligen jämför teamet sitt tillvägagångssätt med andra toppmoderna modeller och visar att den nya algoritmen avsevärt överträffar dessa standardmetoder.

Det är ett imponerande resultat som har potential att dramatiskt förändra landskapet för molekylärbiologer som har kämpat i flera år för att hitta tillförlitliga nya metoder för att bestämma strukturen hos stora biomolekyler.

Elektronkryomikroskopi ser ut att ta denna roll. Och tekniken kommer sannolikt att bli bättre när upplösningen av denna form av mikroskopi förbättras under de kommande åren.

Ref: a rxiv.org/abs/1504.03573 : Bygga proteiner på en dag: Effektiv 3D molekylär rekonstruktion

Dölj