Ученые создали первый симулятор всего гена ДНК

Исследователи из лаборатории в Лос-Аламосе создали крупнейшую на сегодняшний день симуляцию всего гена ДНК, что потребовало моделирования одного миллиарда атомов и поможет исследователям лучше понять и разработать лекарства от таких болезней, как рак.

«Важно понимать ДНК на этом уровне детализации, потому что мы хотим точно понять, как гены включаются и выключаются», — сказала Карисса Санбонмацу, структурный биолог из Лос-Аламоса. «Знание того, как это происходит, может раскрыть секреты того, как развивается множество болезней».

Моделирование генов на атомистическом уровне является первым шагом к получению полного объяснения того, как ДНК расширяется и сжимается, что контролирует генетическое включение / выключение.

Санбонмацу и ее команда провели революционную симуляцию на суперкомпьютере Trinity в Лос-Аламосе, шестым по быстродействию в мире в списке TOP500 на сегодняшний день.

ДНК является основой для всего живого и содержит гены, которые кодируют структуры и деятельность человеческого организма. В человеческом теле достаточно ДНК, чтобы обернуть Землю 2,5 миллиона раз, что означает, что она уплотнена очень плотно и организованно.

Длинная нитевидная молекула ДНК намотана на сеть крошечных молекулярных катушек. То, как эти катушки вращаются и раскручиваются, напрямую влияет на включение и выключение генов. Когда ДНК более компактна, гены выключаются, а когда ДНК расширяется, гены включаются. Исследователи пока не понимают, как и почему это происходит.

Хотя атомистическая модель является ключом к разгадке тайны, моделирование ДНК на этом уровне является непростой задачей и требует огромных вычислительных мощностей.

«Прямо сейчас мы смогли смоделировать целый ген с помощью суперкомпьютера Trinity», — сказала Анна Лаппала, физик из лаборатории в Лос-Аламосе. «В будущем мы сможем использовать суперкомпьютеры Exascale, которые дадут нам возможность смоделировать весь геном».

Компьютеры Exascale — это новое поколение суперкомпьютеров, которые будут выполнять вычисления во много раз быстрее, чем современные машины. С такими вычислительными возможностями исследователи смогут моделировать сразу весь человеческий геном, предоставляя еще больше информации о том, как гены включаются и выключаются.

В новом исследовании, опубликованном в издании «Journal of Computational Chemistry», ученые из Лос-Аламоса объединились с исследователями из Центра вычислительных наук RIKEN в Японии, Консорциума Нью-Мексико и Университета Нью-Йорка, чтобы собрать большое количество различных экспериментальных данных. и соединить их вместе, чтобы создать полностью атомную модель, которая согласуется с этими данными.

Моделирование такого рода основано на экспериментах, включая захват конформации хроматина, криоэлектронную микроскопию и рентгеновскую кристаллографию, а также ряд сложных алгоритмов компьютерного моделирования от Jaewoon Jung (RIKEN) и Chang-Shung Tung (Los Alamos).

Jaewoon Jung et al. Scaling molecular dynamics beyond 100,000 processor cores for large‐scale biophysical simulations, Journal of Computational Chemistry (2019). DOI: 10.1002/jcc.25840