科學家創造了一種創新技術，用於快速預測臨床相關蛋白質的糖衣形態。蛋白質在細胞存活過程中發揮至關重要的作用，並對疾病的發生和發展產生重大影響。為了掌握蛋白質在健康和疾病中的功能，科學家透過實驗和計算技術研究蛋白質的三維原子構型。

GlycoSHIELD 改變了蛋白質上糖鏈的建模方式，以其快速、用戶友好和高能效的演算法促進了藥物開發，標誌著綠色計算和醫學研究取得了重大進展。由GlycoSHIELD 產生的GABAA 受體（灰色）在膜（紅色）上的糖屏蔽（綠色）模型。資料來源：Cyril Hanus，Inserm，巴黎西特大學

細胞表面超過75% 的蛋白質都被醣類覆蓋。這些醣類分子在蛋白質周圍形成了非常動態的保護罩。然而，由於糖的流動性和可變性，我們很難確定這些保護罩的行為方式，或它們如何影響藥物分子的結合。

計畫負責人、Dioscuri 翻譯後修飾建模中心主任馬特烏斯-西科拉（Mateusz Sikora）和他在克拉科夫的團隊，以及德國美因河畔法蘭克福馬克斯-普朗克生物物理研究所（Max Planck Institute of Biophysics）的合作夥伴，與巴黎醫學研究院（Inserm）、塔佩中央研究院（Academia Sinica）和不來梅大學（University of Bremen）的科學家合作，利用電腦解決了這個難題。他們的新演算法GlycoSHIELD 功能強大，可以快速且逼真地模擬蛋白質表面的糖鏈。與傳統的模擬工具相比，GlycoSHIELD 可以減少幾個數量級的計算時間和功耗，為綠色計算鋪平了道路。

從數千小時到幾分鐘

糖保護層對蛋白質與其他分子（如治療藥物）的相互作用有很大影響。例如，冠狀病毒尖峰蛋白上的糖層使天然抗體或疫苗誘導的抗體難以識別病毒，從而將病毒從免疫系統中隱藏起來。因此，糖屏蔽在藥物和疫苗研發中發揮重要作用。對其形態和動態進行常規預測可使藥物研究受益匪淺。然而，到目前為止，利用電腦模擬來預測糖層結構只能在特殊的超級電腦上透過專家知識來實現。在許多情況下，需要數千甚至數百萬小時的計算時間。

透過GlycoSHIELD，Sikora 的團隊提供了快速、環保的開源替代方案。”我們的方法減少了資源、計算時間和所需的專業技術知識，”Sikora 說。”現在，任何人都可以在幾分鐘內透過個人電腦計算蛋白質上糖分子的排列和動力學，而無需專業知識和高效能電腦。此外，這種新的運算方式非常節能。該軟體不僅可用於研究，也有助於藥物或疫苗的開發，例如癌症免疫療法。”

糖做的拼圖

研究小組是如何實現如此高的效率提升的呢？作者們創建並分析了一個包含數千種最可能的三維姿態的資料庫，這些姿態都是人類和微生物蛋白質上最常見的糖鏈形式。透過長時間的模擬和實驗，他們發現，要可​​靠地預測糖屏蔽，附著的糖不與膜或蛋白質的一部分發生碰撞就足夠了。

該演算法正是基於這些發現。”GlyoSHIELD 使用者只需指定蛋白質和糖的連接位置。然後，我們的軟體就會在蛋白質表面以最可能的排列方式拼出它們，”Sikora 解釋說。”我們可以準確地再現尖峰蛋白的糖屏蔽：它們看起來與我們在實驗中看到的一模一樣！有了GlycoSHIELD，現在就可以用糖信息來補充新的和現有的蛋白質結構。”科學家們還利用GlycoSHIELD 揭示了GABAA 受體上的糖模式，這是鎮靜劑和麻醉劑的重要目標。

由馬克斯-普朗克協會發起的Dioscuri 中心旨在幫助加強和擴大中歐和東歐的優秀研究成果。馬特烏斯-西科拉（Mateusz Sikora）曾是馬克斯-普朗克生物物理研究所的博士後研究員，自2023年5月起，他作為波蘭克拉科夫雅蓋隆大學（Jagiellonian University）翻譯後修飾建模中心（Dioscuri Centre for Modelling of Posttranslational Modifications）的負責人，開始接受雙邊資助計畫的資助。

馬克斯-普朗克生物物理研究所理論生物物理系主任格哈德-胡默（Gerhard Hummer）作為他在德國的合作夥伴為他提供了支持，並為這項工作做出了貢獻。在不到一年的時間裡，西科拉已經憑藉他的綠色演算法取得了巨大成功，並幫助波蘭成為一個具有吸引力和競爭力的研究基地。

編譯自: ScitechDaily