Espectacular vídeo que reprodueix el que passa dins d’una cèl·lula i el seu entorn. És una animació en 3D que ensenya com es sintetitza una proteïna, com es mouen diferents orgànuls, proteïnes, la reproducció de l’ADN,…

Les imatges del vídeo anterior s’acompanyen de música ambiental. Si voleu, també hi ha una versió explicada aquí.

Part de la meva tesi són estudis teòrics en models de selenoproteïnes comparades amb models idèntics però sense selenocisteïna (amb cisteïna en el seu lloc). Aquest models tenen, com a àtom central, un metall. Normalment, de fet, pràcticament totes les proteïnes de la família que he estudiat (les formiat deshidrogenases), aquest metall és un àtom de molibdè. Però també n’hi ha alguna que, en comptes de molibdè, té tungstè. Així doncs, he calculat models de les diferents combinacions: seleni+molibdè, sofre+molibdè, seleni+tungstè i sofre+tungstè.

He vist que cada “factor” té el seu comportament. Comparant seleni i sofre en els models amb tungstè veig que el seu comportament segueix el mateix patró, de la mateixa manera que tant el seleni com el sofre segueixen un comportament similar en els models amb molibdè i en els models amb tungstè. Per exemple, “reduir” el sistema és més costós amb tungstè però en canvi “oxidar-lo” és més senzill amb aquest metall. També hem vist que la reducció és menys costosa en tots els models amb sofre mentre que l’oxidació és, amb diferència, més senzilla quan tenim seleni. A la vegada, les diferències seleni/sofre són molt més grans en sistemes amb molibdè, de fet, amb tungstè, les diferències seleni/sofre són molt petites.

Per què? S’ha vist que les metal·loproteïnes que contenen molibdè són, pràcticament, a totes les espècies de bacteris, llevats, animals i plantes. Mentre que, en canvi, les proteïnes que contenen tungstè es limiten a algunes espècies de bacteris que, a més a més, són hipertermòfiles i/o anaeròbiques (creixen sense oxigen).

Els models que he calculat poden concloure que, les proteïnes amb molibdè treballarien millor en ambients més oxidants mentre que les que contenen tungstè ho fan millor en ambients més reductors (amb menys presència d’oxigen). Això explicaria el per què les proteïnes que contenen tungstè es troben bàsicament en ambients anaerobis.

Ara bé, per que s’observa que les diferències seleni/sofre són més grans en els models amb molibdè? El molibdè és un metall una mica més petit i menys electronegatiu que el tungstè.  El seleni és més gran que el sofre i més electronegatiu. Segons això, doncs, la coordinació seleni/sofre-metall és molt més eficient quan el metall és el molibdè i, a més a més, aquest es veu molt més afectat pel seleni que no pas pel sofre.

L’altra qüestió és, si inserir una selenocisteïna en la cadena peptídica d’una proteïna és molt més complicat que qualsevol altre aminoàcid (les selenocisteïnes requereixen un complex i específic mecanisme) i, a més a més, en els models amb tungstè no aporta quasi res de nou, per que hi ha proteïnes amb tungstè i selenocisteïna (el model calculat es basa en una d’elles). L’ambient tendeix a ser cada vegada més oxidant i cal adaptar-s’hi. Així doncs, aquesta proteïna en concret pot estar en fase de canvi, és a dir, preparant-se per treballar en ambients més oxidants i canviar el seu tungstè per un molibdè.  Hi ha moltes molibdoproteïnes que contenen seleni, així dons, aquesta proteïna en concret podria haver incorporat el seleni com a pas previ a la mutació cap al tungstè. Això darrer, és una simple hipòtesi.

L’ideal seria fer un estudi bioinformàtic per avaluar la proporció de seleni/sofre en proteïnes amb molibdè i en proteïnes amb tungstè però, malauradament, degut a que les proteïnes amb tungstè són, bàsicament, en organismes anaerobis, n’hi ha molt poques d’identificades i, menys encara, de ben seqüenciades i anotades.

Fa un parell de dies parlava d’una opció que tenim per “silenciar” part d’un residu en una dinàmica. El que comentava era que, ajustàvem la càrrega d’aquella part a zero i llestos. Per fer això, cada programa té les seves maneres.

La cosa està però en que allò que vaig dir no és ben bé cert i, si només ajustem la càrrega a zero, seguirem tenint tot de boles (àtoms) sense càrrega voltant per la proteïna. La dinàmica té en compte la càrrega i el diàmetre de cada àtom de manera que si només ajustem la càrrega a zero, seguim tenint les “boles” fent nosa.

Doncs, com fer-ho bé (ara espero que sí!)? Ajustant el radi de Van der Waals també a zero. La manera més senzilla per fer-ho és modificant el tipus atòmic dels àtoms que volem “silenciar”, fent-ne un a l’atzar, per exemple Oz, per silenciar un oxigen. Després, a la llibreria de tipus atòmic hi afegim aquest nou “tipus” assignant-li un radi de Van der Waals de zero. I llestos!

Fins fa una estona, tenia un problema: estic fent unes dinàmiques moleculars d’un enzim que catal·litza una reacció determinada, en aquest cas, l’oxidació de l’anió formiat a diòxid de carboni. La reacció transfereix un protó a l’enzim que, després s’ha de regenerar per recomençar el cicle. Fer la dinàmica d’aquesta reacció és relativament senzill, he afegit el substrat (formiat) al PDB de la proteïna i he fet la dinàmica. Perfecte, obtinc el CO₂ i l’enzim protonat. Fer les dinàmiques de la regeneració de l’enzim ja no és tant fàcil: vull eliminar producte (el diòxid de carboni) però part del residu introduït al PDB (l’anió formiat) no vull que desapareixi, ja que és el protó que he d’estudiar com deixa l’enzim.

Hi ha opcions complicades: eliminar part del formiat (el CO₂) del PDB, però això implica canviar la llibreria d’aminoàcids. També es pot modificar el PDB per situar el CO₂ llunt del centre actiu, però això fa que el programa no entengui que un residu tingui el seu hidrogen, per exemple, a 100 amstrongs. En fi, ho he provat i no és gens fàcil.

La solució? “silenciar” part del residu formiat. Les dinàmiques que estic fent són una mena de QM/MM i, de fet, en la regeneració de l’enzim ja tinc el diòxid de carboni fora de la part QM mentre el protó sí que hi és. En estar fora de la part QM, es podria dir que la importància de cada àtom rau en la seva càrrega (que s’obté de la llibreria de residus). Doncs, si poso a zero la càrrega del CO₂, problema resolt! es pot fer modificant la llibreria però, per fer-ho de manera senzilla jo ho faig als fitxers d’entrada del càlcul. Com?

1) dic al programa que el residu “formiat” té càrrega zero
2) assigno una càrrega concreta al protó.

En MOLARIS, el programa que estic emprant, es faria així. Abans de començar cada dinàmica cal posar el següent:

enzymix
pre_enz
setcrg0 720
setcrg 11192 0.013
quit
quit

La ciència és quelcom exclusiu dels països rics? en certa manera sí. Només quan tens unes necessitats socials mínimes cobertes, decideixes invertir en ciència. La ciència és cara i, si en països com el nostre no hi ha una aposta clara de les institucions per la recerca, encara n’hi haurà menys en països on els recursos són més limitats.

Però, podem parlar realment d’exclusivitat? No. I us cito un cas pràctic: Cuba. Consideracions polítiques al marge, el país destaca pel gran nombre de metges i el seu elevat nivell de formació. I, és més, per la “cooperació” que fa aquest país amb els seus metges. Admirable. A Nicaragua, després de la Revolució Sandinista es van fer les brigades alfabetitzadores, sanitàries,… gent amb bona formació acadèmica anava arreu del país per alfabetitzar als seus conciutadans, vacunar-los,… Cuba ho fa amb els seus metges però lluny, fins i tot de les seves fronteres.

Però, tornant a la ciència. En un país embargat és difícil aconseguir material científic, molt difícil! però és un país amb un bon capital humà, amb miseria, sí, però també amb gent molt ben formada en medicina, biologia,… I, pel que sembla, la biologia computacional està esdevenint una sortida a molts científics del país. És més senzill (tot i que no és fàcil) aconseguir ordinadors que reactius.

Un article, Computational Biology in Cuba: An Opportunity to Promote Science in a Developing Country,  publicat el novembre passat a PLoS Computational Biology fa un resum de la situació d’aquest camp de la ciència a Cuba. Parla dels antecedents, del que busquen, dels problemes que tenen iles solucions,…

Computational biology can be considered a supradisciplinary field of knowledge that merges biology, chemistry, physics, and computer science into a broad-based science that is important to furthering our understanding of the life sciences. Although a relatively new area of research, it is recognized as a crucial field for scientific advancement in developing countries. This Perspective introduces our vision of the role of computational biology in biomedical research and teaching in Cuba. Except where individuals are directly quoted, any opinions expressed herein should be considered those of the authors.

Article, review¹ molt interessant que fa una posada al dia dels mètodes teòrics existents per a estudiar una catàlisi enzimàtica. Està escrit pel Prof. Arieh Warshel, de la Universitat del Sud de Califòrnia, que, tot i centrar-se molt en els seus mètodes (ell s’ho pot permetre), fa un repàs de tot el que podem fer a l’hora d’estudiar com funciona un enzim.

Primer ens planteja el problema: què és una reacció enzimàtica? com la podem estudiar?. Seguidament, ens fa una introducció a com el podem abordar: els estudis amb models de centres actius són vàlids? cal treballar sempre amb tota la proteïna? com podem validar el nostre mètode?. I, finalment, la solució. Ens parla dels mètodes QM amb models de centres actius, després planteja treballar a nivell quàntic amb sistemes més grans, fa un repàs dels diferents mètodes QM/MM, una mica de base teòrica, com funcionen. Després se centra molt en els estudis EVB (Empirical Valence Bond), un dels seus mètodes estrella.

És un review amb les fórmules justes, ni moltes ni poques, no entra en profunditat en cap mètode però la informació que hi dóna és suficient. A mi m’ha agradat per que ofereix una visió de conjunt, no m’ha aborrit la teoria però tampoc l’he trobat fluix. En fi, crec que és una bona introducció (com a mínim pels que no som químics) a com podem estudiar un enzim. Cal dir que estic content ja que considera que els estudis quàntics amb petits models (el que faig jo) són vàlids només en el cas de les metal·lopreteïnes (amb les que treballo jo) i ho justifica dient que davant la presència d’un metall, l’efecte de la resta de la proteïna és molt més limitat.

1- Warshel A., Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2003, 32:425-443

Darrerament, a la recta final de la tesi, m’he dedicat a aprendre a fer dinàmiques moleculars[en]. És quelcom entretingut que té la seva gràcia. No és ni més difícil ni més senzill que la química teòrica de la quàntica pura i dura (que és al que m’he dedicat pràcticament durant aquests darrers quatre anys). Però potser sí que puc dir que és un xic més divertit. Et permet jugar molt més amb el sistema, treballar amb proteïnes senceres i, sense el detall que et proporciona la quàntica, jugar a fer reaccions, a escalfar la proteïna, a fer mutacions,… Concretament el que estic intentant fer és estudiar la reacció de la Format Deshidrogenasa H fent servir l’EVB (Emprirical Valence Bond), un mètode desenvolupat per en Warshel.

El pas previ a la dinàmica en sí, a la reacció, és la relaxació del sistema. Això consisteix, bàsicament i en grans trets, a agafar la proteïna, posar-la en aigua i anar augmentant gradualment la temperatura en periodes de temps determinats. Això em prepara la proteïna per a poder fer la “reacció” en unes condicions determinades, és a dir, si vull fer la “reacció” a 300 K (27ªC), primer he de preparar la proteïna, posar-la amb aigua i, començant des de 0, anar-li augmentant la temperatura fins als 300. Si comencés directament a 300 K,  l’estructura no s’aguantaria.

Quelcom “divertit” de les dinàmiques, són els vídeos que es poden fer. També es poden fer en quàntica, però tenen “menys coses”. Aquí hi ha una relaxació mooolt curteta, 0.5 fempto-segons. El víedo també és curtet, dotze segons. Més endavant, quan tingui ja una bona dinàmica, ja en faré un una mica més elaborat. Gaudiu-lo ràpid

Enllaç al vídeo

Els propers 25 i 26 de febrer el CESCA organitza un workshop d’ADF.

Amsterdam Density Functional (ADF) és un programari mecano-quàntic per a sistemes poliatòmics que implementa la teoria del funcional de la densitat (DFT) utilitzant funcions de base de tipus Slater. L’ADF es pot utilitzar en un gran ventall de camps de la ciència que inclouen l’espectroscòpia molecular, la química orgànica i inorgànica, la química farmacèutica i la ciència dels materials. En aquest seminari es presenta ADF, QUILD i ADF-GUI, així com les seves noves funcionalitats.

Aquí podeu trobar més informació i el programa complet de la sessió, que serà en anglès. La inscripció és gratuïta i cal fer-la abans del 31 de gener.

Aquesta nit hi ha hagut una explosió a la feina. Quan he arribat he mirat com anaven els càlculs que vaig enviar (posar a la cua de càlcul) ahir la nit. N’hi havia un, una optimització senzilla, que hauria d’haver acabat. En mirar com estava he vist que havia acabat malament. M’he extranyat, com he dit, no havia de tneir cap problema. He obert un programa gràfic per veure l’evolució de l’optimització de la geometria i… fixeu-vos en l’anell de la part superior dreta (una imidazola):

Per algun motiu, part de la gometria se n’ha anat a pendre pel sac. D’aquesta manera no m’ahvia passat mai! Però bé, per sort, això ha passat dins la cpu d’un ordinador i no ha tingut més conseqüències que la pèrdua d’algunes hores de càlcul.

Pel que fa al video, ho sé, pèssima qualitat. He fet un povray de cada cicle d’optimització i els he juntat en un video. Tot plegat amb una resolució que deixa molt que desitjar… és el primer que faig, a veure si més endavant milloro.