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未來計算機(jī)改變基因技術(shù)是治療疾病新方法(2)
2013-07-01 15:07 來源:鄭州北大青鳥
如果試驗(yàn)的折疊分?jǐn)?shù)很差，那么Rosetta程序會嘗試用不同的方式重新折疊蛋白質(zhì)，以檢查是否可以獲得一個較好的分?jǐn)?shù)。對每種蛋白質(zhì)都會數(shù)百萬次地執(zhí)行這種計算�？茖W(xué)家們會找出得分最高的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并在接下來的研究步驟中使用。
強(qiáng)大的計算能力“征服癌癥”項(xiàng)目
“征服癌癥”項(xiàng)目的任務(wù)是改進(jìn)蛋白質(zhì)X射線結(jié)晶學(xué)的結(jié)果，這不僅能夠幫助研究人員解釋人類蛋白質(zhì)組的未知部分，更重要的是還能夠提高他們對癌癥的產(chǎn)生、發(fā)展及治療的理解。
為了提高對癌癥及其治療方法的理解，研究人員不僅需要發(fā)現(xiàn)針對轉(zhuǎn)移性癌癥（即可以擴(kuò)散到人體其他部位的癌癥）的新型療法，而且必須確定能夠探測出早期癌變的診斷標(biāo)記物（也叫疾病指標(biāo)）。
研究人員在有關(guān)蛋白質(zhì)的信息有限或根本沒有此類信息的情況下，也已在多種人類癌癥的研究方面中取得了多項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。然而，為了更好地理解和治療癌癥，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)與癌癥相關(guān)的新蛋白質(zhì)及其結(jié)構(gòu)和功能就顯得十分重要。
科學(xué)家們對可能與癌癥有功能關(guān)系的蛋白質(zhì)特別感興趣。這包括在腫瘤中增生或抑制的蛋白質(zhì)，以及那些發(fā)生改變或變異從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性變化的蛋白質(zhì)。
通過改進(jìn)X射線結(jié)晶學(xué)，將使研究人員能夠更快地確定多種與癌癥相關(guān)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。這將提高我們對這些蛋白質(zhì)功能的理解，并能幫助我們發(fā)現(xiàn)可能的藥物介入方法，以便攻克這種致命的疾病。
X射線結(jié)晶學(xué)(X-raycrystallography)是一種廣受歡迎的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)確定方法。通過這種方法，科學(xué)家們能夠使用高通量的結(jié)晶管道來幫助說明人類 蛋白質(zhì)組的未知部分，從而又能幫助理解癌癥的產(chǎn)生、發(fā)展及治療。*
機(jī)器人成功運(yùn)行所需的數(shù)百萬次條件組合
使蛋白質(zhì)結(jié)晶：這就好比把糖放入一杯水中并保持一段時間。當(dāng)水蒸發(fā)之后，微小的糖晶體就會顯現(xiàn)出來。當(dāng)然，蛋白質(zhì)結(jié)晶的過程要比這復(fù)雜得多。
使X射線穿過晶體：科學(xué)家們使用一種數(shù)學(xué)模型，根據(jù)蛋白質(zhì)衍射X射線的方式來確定和觀察它們的結(jié)構(gòu)。
使蛋白質(zhì)結(jié)晶并不是一個簡單的過程。存在數(shù)千種可能會影響結(jié)晶過程的條件，比如蛋白質(zhì)的濃度、溶解度、溫度、酸堿度、化學(xué)添加劑等，但科學(xué)家們必須找到適合某種蛋白質(zhì)結(jié)晶的條件組合。以糖為例，如果將水換成其他液體，改變溫度或濃度，就可能無法得到晶體。與此類似，對于特定的蛋白質(zhì)而言，難題在于如何確定能夠形成晶體的條件，如溶解度、溫度、酸堿度，等等。
為了運(yùn)行成功地使蛋白質(zhì)結(jié)晶所需的數(shù)百萬次條件組合，科學(xué)家使用機(jī)器人來完成這項(xiàng)工作。機(jī)器人能夠更快更準(zhǔn)確的組合各種不同的結(jié)晶條件。為了更加促進(jìn)這一過程，這數(shù)百萬次結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的所有結(jié)果都拍攝成了照片。
這些研究人員所遇到的難題之一是這些數(shù)據(jù)集的規(guī)模實(shí)在太大，存儲容量總計超過了25TB（相當(dāng)于9000多張DVD）。IBM的“藍(lán)色基因”(BlueGene)超級計算機(jī)為這階段的工作提供了幫助，它通過一種特殊的圖像壓縮算法對這些圖像進(jìn)行無損壓縮。研究人員還面臨另一個挑戰(zhàn)，即在一臺計算機(jī)上全面分析一張圖像以確定結(jié)晶化結(jié)果大約需要10個小時。按照這種進(jìn)度，研究人員幾乎需要10萬年才能分析完現(xiàn)有的這些照片。
借助強(qiáng)大的計算能力分析原理
借助強(qiáng)大的計算能力，科學(xué)家們能夠?qū)νㄟ^HWI高通量結(jié)晶化管道拍攝的8600萬幅現(xiàn)有的蛋白質(zhì)圖像進(jìn)行處理。運(yùn)行OCI的研究人員開發(fā)的CrystalVision程序，分析每幅圖像的特征，以確定結(jié)晶化拍攝的結(jié)果：晶體、微晶體、相位分離、表面效應(yīng)、沉淀物還是無變化。
如果是晶體，檢晶儀就對該蛋白質(zhì)執(zhí)行最優(yōu)化過程，以確定該結(jié)晶的最優(yōu)化條件，進(jìn)而執(zhí)行衍射實(shí)驗(yàn)以確定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。此外，科學(xué)家還可以根據(jù)結(jié)晶拍攝的結(jié)果，將已成功結(jié)晶的蛋白質(zhì)與具有相似特性但結(jié)構(gòu)未知的蛋白質(zhì)進(jìn)行對比。這可以作為對這些未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)晶的出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而能夠確定它們的結(jié)構(gòu)。
如果產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)不佳或不夠大，科學(xué)家們?nèi)钥衫眠@些信息來幫助他們更好地確定產(chǎn)生結(jié)構(gòu)良好的晶體所必需的條件。舉例來說，他們可能了解到蛋白質(zhì)X在條件A下產(chǎn)生了微晶體，而蛋白質(zhì)A在條件Z下也產(chǎn)生了微晶體�；谶@些信息，他們能夠進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)來推斷出需要最優(yōu)化哪些條件才能產(chǎn)生更大、結(jié)構(gòu)更好的晶體。
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