Вчені створили перший симулятор всього гена ДНК

Дослідники з лабораторії в Лос-Аламосі створили найбільшу на сьогоднішній день симуляцію всього гена ДНК, що зажадало моделювання одного мільярда атомів і допоможе дослідникам краще зрозуміти і розробити ліки від таких хвороб, як рак.

«Важливо розуміти ДНК на цьому рівні деталізації, тому що ми хочемо точно зрозуміти, як гени включаються і вимикаються», - сказала Карісса Санбонмацу, структурний біолог з Лос-Аламоса. «Знання того, як це відбувається, може розкрити секрети того, як розвивається безліч хвороб».

Моделювання генів на атомістичному рівні є першим кроком до отримання повного пояснення того, як ДНК розширюється і стискається, що контролює генетичне включення/вимикання.

Санбонмацу і її команда провели революційну симуляцію на суперкомп'ютері Trinity в Лос-Аламосі, шостим за швидкодією в світі в списку TOP500 на сьогоднішній день.

ДНК є основою для всього живого і містить гени, які кодують структури і діяльність людського організму. У людському тілі достатньо ДНК, щоб обернути Землю 2,5 мільйона разів, що означає, що вона ущільнена дуже щільно і організовано.

Довга нітевидна молекула ДНК намотана на мережу крихітних молекулярних котушок. Те, як ці котушки обертаються і розкручуються, безпосередньо впливає на включення і вимикання генів. Коли ДНК більш компактна, гени вимикаються, а коли ДНК розширюється, гени включаються. Дослідники поки не розуміють, як і чому це відбувається.

Хоча атомістична модель є ключем до розгадки таємниці, моделювання ДНК на цьому рівні є непростим завданням і вимагає величезних обчислювальних потужностей.

«Прямо зараз ми змогли змоделювати цілий ген за допомогою суперкомп'ютера Trinity», - сказала Анна Лаппала, фізик з лабораторії в Лос-Аламосі. «У майбутньому ми зможемо використовувати суперкомп'ютери Exascale, які дадуть нам можливість змоделювати весь геном».

Комп'ютери Exascale - це нове покоління суперкомп'ютерів, які будуть виконувати обчислення у багато разів швидше, ніж сучасні машини. З такими обчислювальними можливостями дослідники зможуть моделювати відразу весь людський геном, надаючи ще більше інформації про те, як гени включаються і вимикаються.

У новому дослідженні, опублікованому у виданні «Journal of Computational Chemistry», вчені з Лос-Аламоса об'єдналися з дослідниками з Центру обчислювальних наук RIKEN в Японії, Консорціуму Нью-Мексико та Університету Нью-Йорка, щоб зібрати велику кількість різних експериментальних даних. і з'єднати їх разом, щоб створити повністю атомну модель, яка узгоджується з цими даними.

Моделювання такого роду засноване на експериментах, включаючи захоплення конформації хроматину, кріоелектронну мікроскопію і рентгенівську кристалографію, а також ряд складних алгоритмів комп'ютерного моделювання від Jaewoon Jung (RIKEN) і Chang-Shung Tung (Los Alamos).