2005年10月26日
科学家发现，一种通常用来改善不锈钢和其他金属合金的工具，可以用于一种绝对非金属的物质:蛋白质。
的研究人员麻省理工学院,威斯康星大学麦迪逊分校和杜邦公司他们的研究结果发表在9月30日出版的物理评论快报．
科学家研究蛋白质就像他们研究金属和其他无机材料一样，设计具有增强性能的新物质，比如在高温下生存的能力。欧洲杯足球竞彩但这样做涉及到对蛋白质成分(氨基酸)重新排列的几乎无穷无尽的可能方法进行分类，这是一项极其耗时且需要大量计算机处理的任务。
麻省理工学院的研究人员和他们的同事在合金设计中应用了一种叫做簇扩展的计算技术，他们能够以比传统技术快1亿倍的速度搜索潜在的氨基酸结构。这项工作在许多领域都很有用，包括医学和生物技术，这些领域都将受益于具有优越性能的改良蛋白质。
作者是威斯康辛大学麦迪逊分校的助理教授Dane Morgan，他作为麻省理工学院材料科学与工程博士后研究员发起并领导了这个项目;欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球麻省理工学院材料科学与工程教授Gerbrand Ceder;欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球麻省理工学院生物学助理教授艾米·基廷;麻省理工学院研究生Zhou Fei(物理学)和Gevorg Grigoryan(生物学);杜邦公司的科学家史蒂夫·勒斯蒂格
在评论这项工作的跨学科性质时，Ceder指出，“作为一名研究晶体物质(如金属和氧化物)的研究者，生物学的世界相当令人生畏。”但你会逐渐发现，生物学中的许多科学问题在其他领域也有相似之处。”
基廷说:“一起工作很有趣，也很令人兴奋。我们遇到了不同领域合作中常见的障碍——不熟悉的词汇和不同的惯例——但我们在这个过程中从彼此身上学到了很多东西。”
当摩根参加了由基廷和其他人教授的麻省理工计算生物学课程时，他第一次意识到合金和蛋白质设计之间的相似性。
“在合金材料中，有许多不同的元素，如不锈钢中的镍、铬和铁，它们被排列在晶格位置上，”摩根说。“这和蛋白质是一样的:不同的氨基酸占据了蛋白质骨架的不同位置。”关键在于确定如何重组这些成分，以增强更大结构的特性，无论是金属结构还是生物分子。
每种蛋白质的功能都依赖于其独特的三维结构，而三维结构又依赖于分子的特定线性链，即20种不同氨基酸的序列。在蛋白质设计中，科学家从已知序列、结构和功能的蛋白质开始——比如一种工业酶，它可以分解污垢。然后，他们寻找修饰过的氨基酸排列，以增强分子的自然功能。
从现有的蛋白质结构开始确实减少了重组氨基酸的可能方式，但数量仍然令人难以置信。
“对于仅仅100种不同氨基酸的序列，你有20100种可能的组合，”摩根说。“我猜这比宇宙中原子的数量还多。”
“集群扩展将设计问题分解成有意义的部分，你可以让你的大脑和你的电脑四处走动，”摩根说。
为了证明集群扩展管理这种复杂性的能力，该团队专注于蛋白质稳定性。高度稳定的蛋白质折叠成紧密的三维结构;不太稳定的则容易崩溃。因为蛋白质的稳定性与它在折叠的三维状态下的能量有关，科学家可以计算一个能量项来预测一个特定的氨基酸序列是否会采用一个健壮的结构。
群集扩展将一个氨基酸序列分解成小的亚群集，由一个、两个、三个或更多的氨基酸组成。然后确定每个亚簇内每个可能的氨基酸序列的有效能量项。一旦知道了每个子簇的能量，就可以快速地将它们相加，得到整个序列的能量。
当研究小组将该方法应用于两种众所周知的蛋白质时，他们发现该方法计算出的氨基酸序列能量与现有技术计算出的能量非常吻合。区别呢?传统技术每次计算能量需要3分钟以上，而星团膨胀只需要1微秒。
基廷对集群扩展对生物学的潜在贡献感到兴奋。“这可能会让一些我们一直梦想的基因组研究变得可行，而之前它们实际上是不可能的。”
这项研究是由美国国立卫生研究院和杜邦-麻省理工联盟资助的。
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