Onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory hebben de grootste simulatie tot nu toe gemaakt van een volledig DNA-gen, een prestatie die een miljard atomen nodig had om te modelleren en die onderzoekers zal helpen om ziekten zoals kanker beter te begrijpen en te ontwikkelen.

"Het is belangrijk om DNA op dit detailniveau te begrijpen, omdat we precies willen begrijpen hoe genen aan en uit gaan, " zei Karissa Sanbonmatsu, een structurele bioloog in Los Alamos. "Weten hoe dit gebeurt, zou de geheimen kunnen ontrafelen van het aantal ziekten dat voorkomt."

Het modelleren van genen op atomistisch niveau is de eerste stap naar het creëren van een volledige verklaring van hoe DNA uitzet en samentrekt, die de genetische aan/uit-schakeling regelt.

Sanbonmatsu en haar team voerden de baanbrekende simulatie uit op de Trinity-supercomputer van Los Alamos, de zesde snelste ter wereld. De capaciteiten van Trinity ondersteunen in de eerste plaats het voorraadbeheerprogramma van de National Nuclear Security Administration, die zorgt voor veiligheid, veiligheid, en de effectiviteit van de nucleaire voorraad van het land.

DNA is de blauwdruk voor alle levende wezens en bevat de genen die coderen voor de structuren en activiteit in het menselijk lichaam. Er is genoeg DNA in het menselijk lichaam om 2,5 miljoen keer om de aarde te wikkelen, wat betekent dat het op een zeer nauwkeurige en georganiseerde manier wordt verdicht.

De lange, snaarachtig DNA-molecuul is opgewikkeld in een netwerk van kleine, moleculaire spoelen. De manieren waarop deze spoelen opwinden en afwikkelen, zetten genen aan en uit. Onderzoek naar dit spoolnetwerk staat bekend als epigenetica, een nieuwe, groeiend wetenschapsgebied dat bestudeert hoe lichamen zich in de baarmoeder ontwikkelen en hoe ziekten ontstaan.

Wanneer DNA compacter is, genen worden uitgeschakeld en wanneer het DNA zich uitbreidt, genen zijn ingeschakeld. Onderzoekers begrijpen nog niet hoe of waarom dit gebeurt.

Hoewel het atomistische model de sleutel is tot het oplossen van het mysterie, het simuleren van DNA op dit niveau is geen gemakkelijke taak en vereist enorme rekenkracht.

"Direct, konden we een heel gen modelleren met behulp van de Trinity-supercomputer in Los Alamos, " zei Anna Lappala, een polymeerfysicus in Los Alamos. "In de toekomst, we zullen gebruik kunnen maken van exascale supercomputers, wat ons de kans geeft om het volledige genoom te modelleren."

Exascale-computers zijn de volgende generatie supercomputers en zullen berekeningen vele malen sneller uitvoeren dan huidige machines. Met dat soort rekenkracht, onderzoekers zullen het hele menselijke genoom kunnen modelleren, nog meer inzicht geven in hoe genen aan- en uitzetten.

In de nieuwe studie gepubliceerd in de Journal of Computational Chemistry 17 april het Los Alamos-team werkte samen met onderzoekers van het RIKEN Center for Computational Science in Japan, het New Mexico Consortium en de New York University om een ​​groot aantal verschillende soorten experimentele gegevens te verzamelen en deze samen te voegen om een ​​volledig atoommodel te creëren dat consistent is met die gegevens.

Simulaties van dit soort worden geïnformeerd door experimenten, inclusief chromatine conformatie capture, cryo-elektronenmicroscopie en röntgenkristallografie, evenals een aantal geavanceerde computermodelleringsalgoritmen van Jaewoon Jung (RIKEN) en Chang-Shung Tung (Los Alamos).