Whole-Genome-sekventering simuleret på supercomputere

(PhysOrg.com) - The Human Genome Project banede vejen for genomik, studiet af en organismes genom. Personlig genomik kan etablere forholdet mellem DNA-sekvensvariationer blandt individer og deres helbredstilstande og reaktioner på lægemidler og behandlinger. For at gøre genomsekventering til en rutineprocedure, imidlertid, tiden skal reduceres til mindre end en dag og prisen til mindre end $1, 000 - en bedrift, der ikke er mulig med den nuværende viden og teknologier.

I 2008, et forskerhold ledet af Aleksei Aksimentiev, assisterende professor i fysikafdelingen ved University of Illinois-Urbana-Champaign, startede et projekt for at skabe maskiner til personlig genom -sekventering, der vil være mere tilgængelig for hospitaler. Brug af Oak Ridge National Laboratory's Jaguar, en af ​​verdens hurtigste supercomputere, Aksimentiev og hans team udvikler en nanopore tilgang, hvilket lover en drastisk reduktion af tid og omkostninger til DNA-sekventering. Deres forskning afslører formen af ​​DNA, der bevæger sig gennem en enkelt nanopor - et protein, der er en milliarddel af en meter bredt, og som krydser en membran. Når DNA'et passerer gennem poren, sekvensen af ​​nukleotider (DNA -byggesten) læses af en detektor.

"Den største hindring for sekventering ved hjælp af de ældre generationer af biologiske og syntetiske nanoporer var manglende evne til at identificere DNA-sekvensen til enkeltnukleotidopløsning, " sagde Aksimentiev. "Nukleotiderne passerede for hurtigt gennem nanoporen til, at videnskabsmænd kan sekventere DNA'et."

Aksimentievs gruppe bruger nanopore MspA, et konstrueret protein. Dens sekvens skal ændres for at binde stærkere til den bevægelige DNA-streng. MspA er en ideel platform til sekventering af DNA, fordi forskere nu kan måle dæmninger i porerne, som kunne bremse DNA's rejse gennem proteinet. At ændre MspA-proteinet for at optimere dæmninger er både tidskrævende og dyrt i et laboratorium, men enkelt på en computer. For eksempel, at ændre proteinet på nogen måde, videnskabsmænd skal afgøre, om den særlige mutation, de introducerer, er stabil, og om ideen er rimelig. Derfor, forskerne simulerer først MspA for at beslutte sig for en mutation, der skal induceres, og for at teste højrisikoideer, før de implementeres i et eksperiment.

Forskerholdet bruger koden NAMD, som beregner minimum energitilstande for atomer i et stort biomolekylært system og er en indikator for, hvilke former molekylerne ville være mest behagelige at antage. Holdet bygger først en model af MspA-proteinet nedsænket i en lipid-dobbeltlag og en elektrolytopløsning. En DNA -streng med en ønsket nukleotidsekvens trækkes derefter gennem MspA -nanoporen. Dernæst simulerer forskerne effekten af ​​et elektrisk felt, der driver ioner og DNA gennem MspA nanopore.

Simuleringen anvender molekylær dynamik, eller beregninger af hvert atoms bevægelse i et molekylært system efter de fysiske love i naturen, at efterligne det eksperimentelle system. Simuleringernes resultater kan direkte sammenlignes med dem fra eksperimenter, fordi begge tilgange måler ionstrømmen, ifølge Aksimentiev. Ved at kende positionerne af hvert DNA-atom og -ion, forskere får en fordel - de kan optimere nanoporesekventering ved hjælp af et rationelt design til at producere en pore, der krammer mere til DNA'et, sænker molekylets rejse gennem poren til en hastighed, der tillader enkeltnukleotidopløsning.

Sekvenseringsarbejdet er finansieret af National Human Genome Research Institute fra National Institutes of Health. Projektets metodeudvikling er delvist finansieret af National Science Foundation. Samarbejdspartnere med projektet omfatter to eksperimentelle grupper:den ene ledet af Jens Gundlach ved University of Washington-Seattle og den anden af ​​Michael Niederweis ved University of Alabama-Birmingham.

Forskningen modtog 10 millioner processortimer på Jaguar gennem den innovative og nye beregningseffekt på teori og eksperiment, eller OPTIMLER, program, som tildeler betydelige bevillinger til nogle af verdens mest magtfulde supercomputere til projekter, der tager fat på store udfordringer inden for videnskab og teknik. Med INCITE-tildelingen, forskerne var i stand til at reproducere dæmningerne i MspA nanopore for den type DNA-nukleotider, der var begrænset til den, bremse sekvensbevægelsen gennem nanoporen.

"Vi har udført et pilotstudie på flere varianter af MspA nanopore og observeret en betydelig reduktion af DNA-strengens hastighed, " sagde Aksimentiev. "Disse meget foreløbige resultater tyder på, at opnå en 100-fold reduktion af DNA-hastigheden, hvilket burde være tilstrækkeligt til at udlæse DNA-sekvensen med enkeltnukleotidopløsning, er inden for rækkevidde. Fremtidige undersøgelser vil blive rettet mod dette mål. "

Teamet håber at nå dette projekts mål inden 2013 og planlægger at forfølge en række spændende spin-off-projekter, sagde Aksimentiev. Evnen til at gøre genomsekventering overkommelig vil muliggøre programmer som Cancer Genome Project, som karakteriserer DNA-mutationer i kræftceller i forskellige væv gennem alle stadier af kræftudvikling.