Wetenschappers van TSU's Laboratory of Experimental High Energy Physics en hun collega's van de Universiteit van Bordeaux bestuderen nieuwe manieren om de effecten van lage doses straling op cellulair niveau te modelleren. Voor de eerste keer, natuurkundigen simuleren de effecten van straling op DNA en berekenen de kans op kanker in verschillende chemische en biologische omgevingen.

Dit is een interdisciplinair project dat modellering in de natuurkunde, biologie en biochemie. Wetenschappers gaan de processen onderzoeken die in de cel plaatsvinden als gevolg van blootstelling aan straling op omgevingsmoleculen en biologische macromoleculen en op daaropvolgende fysisch-chemische en biochemische processen.

Bij blootstelling aan straling op het menselijk lichaam, hoogfrequente straling of hoogenergetische deeltjes dringen de levende cel binnen, het uitschakelen van elektronen uit de moleculen waaruit het bestaat. Als er tegelijkertijd ionen in de cel verschijnen of het DNA wordt beschadigd, dan kan de cel niet normaal functioneren. Al deze processen zullen worden gereproduceerd door wiskundige modelleringsprogramma's binnen het Geant4-softwarepakket.

"Deze geïntegreerde modelleringstool wordt al gebruikt in de nucleaire geneeskunde voor de behandeling van oncologische ziekten en is ook in trek in de ruimtevaart, bijvoorbeeld, voor het voorbereiden van interplanetaire expedities, omdat het helpt bij het voorspellen van het effect van straling op astronauten en apparatuur tijdens een langdurig verblijf in de ruimte, " legt Alexander Chodinov uit, Hoofd van het laboratorium voor experimentele hoge-energiefysica aan de TSU.

In de eerste fase, berekeningen zullen worden gemaakt met behulp van de TSU computerfaciliteiten. De complexiteit van dergelijk werk is dat de berekening van elke cyclus of gebeurtenis op een moderne computer tot een uur duurt.

"De echte weergave van zelfs een enkele cel vereist de beschrijving van een aantal componenten die vergelijkbaar is met de beschrijving van een grote fysieke installatie, " voegt Alexander Khodinov toe. "We moeten niet alleen alle modelleringsprocessen in dezelfde omgeving combineren, maar verhoog ook de snelheid van berekeningen met behulp van hardwareversnellers GPU en FPGA."

Het nieuwe project werd mogelijk dankzij de deelname van TSU-natuurkundigen aan de ATLAS- en CMS-experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC) van het European Centre for Nuclear Research (CERN). Benaderingen voor het maken van computerprogramma's voor de LHC omvatten het ontwikkelen van methoden voor parallel computing en het analyseren van grote hoeveelheden gegevens, die nu zal worden gebruikt om het effect van straling op DNA te bestuderen.

Eerder, Tomsk-wetenschappers en hun collega's uit Frankrijk gebruikten het gebruikerstoepassingspakket Geant4-DNA voor het modelleren van elektronische interacties in vloeibaar water. De resultaten worden beschreven in het artikel "Geant4-DNA-voorbeeldtoepassingen voor spoorstructuursimulaties in vloeibaar water:een rapport van het Geant4-DNA-project."