Tvarūs b altymai leidžia gyvybei gniuždančiose vandenyno gelmėse ir galėjo išsivystyti po ledu surištų okeaninių egzoplanetų paviršiumi. Šie b altymai lieka sulankstyti, todėl jie gali atlikti savo funkciją, esant didžiuliam spaudimui. Tačiau kiti b altymai atsiskleidžia esant slėgiui, todėl jie tampa neveikiantys. Kuo jie skiriasi?
Viena vertus, garsumas. Dabar „Nature Communications“šią savaitę paskelbti tyrimai leidžia numatyti, kaip tam tikro b altymo tūris pasikeis tarp sulankstyto ir nesulenkto būsenos. Skaičiavimai tiksliai nuspėja, kaip b altymas reaguos į padidėjusį slėgį, atskleidžia vidinį vandenyno gelmių gyvybės funkcionavimą ir taip pat gali suteikti įžvalgų apie svetimą gyvybę.
"Mes randame planetų su vandenynu, kurių paviršius, nors ir š altas, apačioje tikriausiai yra šiltas. Taigi kaip atrodytų gyvenimas toje erdvėje?" sakė George'as Makhatadze, Biokompiuterijos ir bioinformatikos žvaigždyno profesorius ir Rensselaer politechnikos instituto Biotechnologijų ir tarpdisciplininių studijų centro narys. "Turėdami šį skaičiavimo gebėjimą galime pažvelgti į barofilinių organizmų proteomą Žemėje ir paklausti, kaip jų b altymai prisitaiko?"
Mokslininkai jau seniai žinojo, kad b altymas išsiskleis esant padidintam slėgiui, jei jo išsivyniojusios būsenos tūris yra mažesnis, ir liks sulankstytas, jei išsiskleidusios būsenos tūris didesnis. Tačiau, nors mokslininkai eksperimentiškai išmatavo nuo -4% iki +1% tūrio pokyčio, kai b altymai, panardinti į vandenį, pereina iš sulankstytos būsenos į neišskleistą būseną, nuspėjamąjį skaičiavimą, kuris atitiktų šiuos matavimus, buvo sunkiau atlikti.
B altymų tūrio paradoksas kilo nuo pirmųjų b altymų rentgeno spindulių struktūrų, kai vaizdai parodė, kad 30 procentų b altymo tūrio sudaro tuštumos ir ertmės netobulai supakuotuose struktūros atomuose. Tyrėjai manė, kad išsiskleidę b altymai prarastų apie 30 procentų savo tūrio, ir stebėjosi šio skaičiaus ir eksperimentinių matavimų skirtumais.
Siekdami išspręsti skirtumą, mokslininkai iškėlė hipotezę, kad išsiskleidę b altymai sąveikauja su vandeniu, į kurį jie buvo panardinti, didindami tūrį, ir pasiūlė „perkėlimo metodą“šiam poveikiui apskaičiuoti. Jų metodas išbandė kelių „modelių“molekulių, dažniausiai randamų b altymuose, tūrio pokytį, kai jie perkeliami iš nevandeninio tirpiklio į vandenį. Tačiau taikant metodą tūris šiek tiek sumažėjo, o tai padidino skirtumą su matavimais.
Makhatadzės grupė dviejuose paradokso postulatuose rado keletą klaidingų prielaidų. Nors išsiskleidusio b altymo atomai yra mažiau tankiai supakuoti nei sulankstyto, sudėtingoje formoje išlieka tuštumų ir ertmių, todėl tūrio sumažėjimas 30 procentų yra nerealus. Be to, perkėlimo metodas prasideda klaidingai, nes nevandeninis tirpiklis sukuria tūrį didinantį buferį, kuris išnyksta, kai junginiai panardinami į vandenį. Tyrimo grupė parašė kompiuterinę programą, skirtą tiksliai apskaičiuoti išsiskleidusio b altymo tūrį, avansą, paskelbtą atskirai 2015 m. BMC Bioinformatics leidime, ir nustatė 7 procentų tūrio sumažėjimą, remiantis prarastomis tuštumomis ir ertmėmis. Perėjus prie perdavimo metodo, kuriuo junginiai perkeliami iš dujinės fazės į vandenį, šiek tiek padidėjo tūris.
"Taigi šie du veiksniai – tūrio pokytis, kai išsiskleidžiant pašalinamos tuštumos ir ertmės, ir tūrio pokytis, kai išsiskleidęs b altymas yra veikiamas vandens – labai sudėtingai panaikina vienas kitą."
Tada Makhatadzės grupė žengė žingsnį toliau ir rado bendrą 140 molekulių tūrio pokyčio savybę: kai pavyzdinis junginys panardinamas į vandenį, padidėja tik tam tikrų molekulės sričių tūris, būtent tos, kurios nėra -poliariniai arba nesąveikauja su vandeniu. Turėdama šią informaciją, grupė apskaičiavo procentinį tūrio pokytį daugiau nei 200 b altymų ir atitiko stebimą diapazoną nuo -4% iki +1%.
"Mes ne tik pasiekiame eksperimentinį diapazoną, bet ir galime kiekybiškai numatyti tam tikro b altymo tūrio pokyčius."
"Molekulinis hidrostatinio slėgio įtakos b altymų lankstymo stabilumui veiksnys" buvo paskelbtas vasario mėnesio Nature Communications leidime. Kalvinas R. Chenas, biologijos mokslų magistrantas, prisijungė prie Makhatadzės tyrime, kurį finansavo Nacionalinis mokslo fondas Chemija ir gyvybės procesai, ir naudojo Rensselaer skaičiavimo inovacijų centro bei Ekstremalių mokslo ir inžinerinių atradimų aplinkos išteklius. (XSEDE).
Makhatadzės mokslinius tyrimus įgalina Naujosios politechnikos mokyklos vizija – besiformuojanti aukštojo mokslo paradigma, pripažįstanti, kad pasauliniai iššūkiai ir galimybės yra tokios didelės, kad jų negali tinkamai išspręsti net pats talentingiausias žmogus, dirbantis vienas. Rensselaer yra bendradarbiavimo kryžkelė – dirbant su partneriais įvairiose disciplinose, sektoriuose ir geografiniuose regionuose – siekiant išspręsti sudėtingus pasaulinius iššūkius, naudojant pažangiausius įrankius ir technologijas, kurių daugelis yra kuriami Rensselaer. Rensselaer atliekami tyrimai sprendžia kai kuriuos iš svarbiausių pasaulyje technologinių iššūkių – nuo energetinio saugumo ir tvaraus vystymosi iki biotechnologijų ir žmonių sveikatos. Naujasis politechnikumas keičia pasaulinį mokslinių tyrimų poveikį, savo novatorišką pedagogiką ir Rensselaer studentų gyvenimą.
