Forskere opretter den første milliard-atom biomolekylære simulering

Forskere ved Los Alamos National Laboratory har skabt den hidtil største simulering af et helt DNA -gen, en bedrift, der krævede en milliard atomer til at modellere og vil hjælpe forskere med bedre at forstå og udvikle helbredelser mod sygdomme som kræft.

"Det er vigtigt at forstå DNA på dette detaljeringsniveau, fordi vi vil forstå præcist, hvordan gener tænder og slukker, "sagde Karissa Sanbonmatsu, en strukturbiolog i Los Alamos. "At vide, hvordan dette sker, kan låse op for hemmelighederne til, hvor mange sygdomme der opstår."

Modellering af gener på atomistisk niveau er det første skridt i retning af at skabe en komplet forklaring på, hvordan DNA udvider sig og trækker sig sammen, som styrer genetisk tænd/sluk -kobling.

Sanbonmatsu og hendes team kørte den gennembrudssimulering på Los Alamos 'Trinity -supercomputer, den sjette hurtigste i verden. Trinity's egenskaber understøtter primært National Nuclear Security Administration lagerforvaltningsprogram, som sikrer sikkerhed, sikkerhed, og effektiviteten af ​​landets atomlager.

DNA er blueprint for alle levende ting og rummer de gener, der koder for strukturer og aktivitet i menneskekroppen. Der er nok DNA i menneskekroppen til at vikle rundt om jorden 2,5 millioner gange, hvilket betyder, at den er komprimeret på en meget præcis og organiseret måde.

Den lange, strenglignende DNA-molekyle afvikles i et netværk af små, molekylære spoler. De måder, hvorpå disse spoler vindes og afvikles, tænder og slukker gener. Forskning i dette spool -netværk er kendt som epigenetik, en ny, voksende videnskabeligt felt, der studerer, hvordan kroppe udvikler sig inde i livmoderen, og hvordan sygdomme dannes.

Når DNA er mere komprimeret, gener slukkes, og når DNA'et udvider sig, gener er tændt. Forskere forstår endnu ikke, hvordan eller hvorfor dette sker.

Selvom atomistisk model er nøglen til at løse mysteriet, simulering af DNA på dette niveau er ingen let opgave og kræver massiv computerkraft.

"Lige nu, vi var i stand til at modellere et helt gen ved hjælp af Trinity -supercomputeren i Los Alamos, sagde Anna Lappala, en polymerfysiker ved Los Alamos. "I fremtiden, vi vil kunne gøre brug af exascale supercomputere, hvilket vil give os en chance for at modellere hele genomet. "

Exascale computere er den næste generation af supercomputere og vil køre beregninger mange gange hurtigere end nuværende maskiner. Med den slags computerkraft, forskere vil kunne modellere hele det menneskelige genom, giver endnu mere indsigt i, hvordan gener tænder og slukker.

I den nye undersøgelse offentliggjort i Journal of Computational Chemistry 17. april kl. Los Alamos -teamet samarbejdede med forskere fra RIKEN Center for Computational Science i Japan, New Mexico-konsortiet og New York University for at indsamle et stort antal forskellige eksperimentelle data og sammensætte dem for at skabe en all-atom-model, der er i overensstemmelse med disse data.

Simuleringer af denne art informeres ved forsøg, herunder indfangning af chromatinkonformation kryo-elektronmikroskopi og røntgenkrystallografi samt en række sofistikerede computermodelleringsalgoritmer fra Jaewoon Jung (RIKEN) og Chang-Shung Tung (Los Alamos).