Новое моделирование ДНК как транспортного канала может разрушить представление ученых о том, как большие молекулы, называемые факторами транскрипции, распространяются на своем пути для выполнения генетических задач, согласно исследованию из Технологического института Джорджии. Моделирование добавляет важные мазки к нашей картине неуловимой внутренней механики клеток.
Моделирование убедительно подтверждает гипотезу о том, что в живой клетке ДНК находится в постоянном движении, что делает ее доминирующим двигателем факторов транскрипции к их целевым сайтам на ДНК.
Там факторы регулируют транскрипцию генетического кода в жизнеобеспечивающее действие.
Клетка ДНК гориллы
Как факторы транскрипции проходят через ДНК, оставалось загадкой, потому что молекулы белка такие большие, а природная ДНК так сильно запутана. Пространства внутри обмоток обычно намного меньше, чем факторы транскрипции, которые должны проходить через них.
"Если чаща такая густая и к тому же не двигается, то она должна быть непроходимой. Итак, как вы попадаете на нужный сайт?- спросил Джеффри Сколник, профессор Школы биологических наук Технологического института Джорджии.
Если бы ДНК действительно была неподвижной, молекула белка казалась бы зажатой в зарослях ДНК, как горилла в клетке для собаки.
Пружины для часов ДНК
Но Сколник и его соавтор Эдмонд Чоу, ученый-компьютерщик, специализирующийся на алгоритмах, решающих очень большие научные вопросы, считают, что широко распространенное предположение о том, что природная ДНК тверда, как столбики, является ложным. Их моделирование превращает стержни в провода, натянутые, как пружины часов, которые изгибаются и дребезжат змеиными движениями.
«Движение ДНК, несомненно, является доминирующей силой, перемещающей молекулы через ее заросли», — сказал Сколник. "ДНК — хулиган."
Сколник, который руководит Центром изучения системной биологии Технологического института Джорджии, и Чоу, доцент Школы вычислительных наук и инженерии Технологического института Джорджии, опубликовали 6 июня статью о своих симуляциях в журнале Biophysical Journal.
Чоу и Сколник смоделировали моделирование фактора транскрипции под названием LacI, движущегося через ДНК бактериальной клетки Escherichia coli. LacI — ингибирующая молекула, которая зависит от лактозы, но эта функция не играла роли в исследовании.
Хорошо известный фактор транскрипции является основой многих экспериментальных исследований движения факторов транскрипции.
Слайд, прыжок и классики
При моделировании нити ДНК отклоняются от пути LacI, а также перемещают большую молекулу вперед в следующий карман в зарослях и т. Д.
Гипотезы, основанные на жесткой ДНК, заставят факторы транскрипции двигаться медленнее, чем кажется на самом деле. Но извивающиеся модели Чоу и Сколника согласуются со скоростью распространения, установленной в лабораторных экспериментах, и объясняют, почему они такие быстрые.
Факторы транскрипции, как известно, скользят по нитям ДНК, как магниты по скользкой проволоке, пока не защелкнутся в определенной канавке, где они идеально подходят, где они и делают свою работу. И они, как известно, спрыгивают с нити ДНК, а затем снова присоединяются.
«Но сочетание скольжения и прыжков по-прежнему не учитывает скорость распространения», — сказал Чоу.
Повторное присоединение после перелета может фактически снизить скорость фактора транскрипции через ДНК, возвращая его на место на нити, где он был раньше. Моделируемое колебание ДНК заставляет транскриберов двигаться дальше и дальше, увеличивая скорость их распространения.
Геракловы вычисления
Моделирование поможет другим исследователям понять важные клеточные процессы и потенциально поможет повысить скорость и точность биологических и медицинских исследований. Расчет за смоделированной динамикой был титаническим.
"Эти симуляции уникальны для этой проблемы из-за их масштабов и передовых вычислительных технологий.
Очень эффективные алгоритмы выполнялись параллельно на мощных компьютерах, и, тем не менее, для завершения моделирования потребовалось три недели », — сказал Чоу.
Параллельные вычисления разбивают проблему на части, которые можно запускать одновременно или параллельно, а не в одном долгом и трудоемком процессе.
Это позволяет программам использовать несколько процессоров одновременно, увеличивая скорость вычислений.
Даже с этой мощью, чтобы сделать симуляцию вообще вычислимой, исследователям пришлось уменьшить модель ДНК и LacI, чтобы выявить динамику движения, не приукрашивая всех деталей клеточной ДНК. «Вы должны выбрать, какие части вы игнорируете, а какие вставляете», — сказал Сколник. "Если вы вставите все, вы не сможете этого сделать, даже с самыми быстрыми кодами."
Сотовый игрушечный край
Исследователи хотят решить гораздо более сложные задачи, которые через годы могут привести к созданию игрушечной упрощенной модели полноценной клетки.
"Конечная цель — поместить на компьютер целую клетку.
Пусть живет. Позвольте ему разделить и понять процессы », — сказал Сколник. "Может быть, даже позволить клетке мутировать и развиваться."
Информатика, стоящая за этим, была бы очень интересной. «Когда размер проблемы растет, затраты на ее решение могут непропорционально возрасти», — сказал Чоу. "Вы должны создавать алгоритмы, которые могут работать эффективно, даже если вы увеличиваете размер проблемы."