艾滋病毒蛋白酶。美国国家科学院院刊（2022 年）。DOI： 10.1073/pnas.2214906119
每种疾病都有蛋白质基础。
对于某些疾病，如HIV，蛋白质结构的变化对于病毒感染人体细胞的方式至关重要。
伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）的研究人员使用美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的Theta超级计算机来寻找抑制HIV蛋白酶（一种关键病毒蛋白）某种结构变化的基本因素。这种结构变化称为襟翼开口，当病毒与另一种分子（如抗病毒药物）结合时就会发生。了解这种结构变化对于药物开发至关重要。
Theta超级计算机位于阿贡领导计算设施（ALCF），这是位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施，向世界科学界开放。
“蛋白质是使生命运转的东西；蛋白质掌握着大多数生物学问题的答案，“UIC生物医学工程副教授Ao Ma说。“当我们观察蛋白质时，我们看到结构决定功能。但蛋白质不仅具有一种结构，它们还具有多种功能结构，这些结构之间的转变决定了蛋白质的工作原理。
在这项研究中，Ma和他的学生在Theta上进行了分子动力学模拟，以收集数据，然后使用数学方法进行分析。“我们使用的方法的巧妙之处在于，它都源于牛顿第二定律 - 力等于质量乘以加速度，”Ma说。
蛋白质一直在运动，但马想知道蛋白质中的哪些特定因素最终负责其结构变化。“蛋白质是具有数千到数十万个原子的大分子，它们不断移动 - 因此简化这个问题以了解运动的哪些特定成分决定了整体结构演变非常重要。
根据Ma的说法，科学家使用坐标来描述蛋白质如何移动。
坐标是帮助我们描述物体在特定空间内的位置或位置的值。将它们想象成空间中某个点的地址。在 3D 空间中，就像我们周围的世界一样，我们使用三个坐标（x、y 和 z）来描述点的位置，x 表示水平位置，y 表示垂直位置，z 表示深度。坐标使我们能够理解和描述给定空间中物体的排列和运动。
也可以描述彼此关系的坐标，称为内部坐标。内部坐标侧重于原子之间的距离，连接它们的键形成的角度以及围绕这些键的原子组的旋转。这些内部坐标构成了Ma和他的学生研究的反应坐标的基础。
“HIV蛋白酶如何移动涉及数千个坐标，但我们能够识别六个反应坐标，这些坐标共同完全决定了其结构如何变化，”Ma说。
Ma确定的反应坐标是科学家所谓的二面角的组合。二面角是由四个原子通过三个键以锯齿形模式连接的两个平面之间的内部角。
想象一下，你有一条由三个键连接的四个原子的线，就像一根绳子上的珠子。现在，想象前三个原子形成一个三角形，形成一个平面。然后，想象后面三个原子形成另一个三角形，形成第二个平面，“Ma说。“二面角是这两个平面之间的角度，它有助于描述分子围绕连接两个平面的中心键的旋转或扭曲。
找到组合二面角以给出反应坐标的具体方法，可以让科学家清楚地了解襟翼开口是如何发生的。“这是正确理解这种病毒背后的分子机制的重要一步，有望为药物发现提供新的策略和靶点，”Ma说。
基于该研究的一篇论文“HIV-1蛋白酶襟翼开口的精确反应坐标”于2022年12月2日在线发表在《美国国家科学院院刊》上。
参考来源：
Shanshan Wu et al, Exact reaction coordinates for flap opening in HIV-1 protease, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2214906119