Ett biologiskt mysterium ligger i mitten av var och en av våra celler, nämligen:hur en meter DNA kan vaddas upp i utrymmet på en mikron (eller en miljonedel av en meter) i varje kärna i vår kropp.

Kärnorna i mänskliga celler är inte ens den mest trånga biologiska platsen som vi känner till. Vissa baktiofager - virus som infekterar och replikerar i en bakterie - har ännu mer koncentrerat DNA.

"Hur kommer det in där?" B. Montgomery (Monte) Pettitt, en biokemist och professor vid University of Texas Medical Branch, frågar. "Det är en laddad polymer. Hur övervinner den frånstötningen vid dess flytande kristallina densitet? Hur mycket ordning och oordning är tillåtet, och hur spelar detta en roll i nukleinsyror? "

Använda superdatorer Stampede och Lonestar5 vid University of Texas i Austin's Texas Advanced Computing Center (TACC), Pettitt undersöker hur fags DNA fälls in i hyperbegränsade utrymmen.

Skriver i juni 2017 -numret av Journal of Computational Chemistry , han förklarade hur DNA kan övervinna både elektrostatisk avstötning och dess naturliga styvhet.

Nyckeln till att göra det? Kinks.

Införandet av skarpa vändningar eller kurvor i konfigurationer av DNA förpackat i ett sfäriskt hölje minskar avsevärt den totala energin och trycket i molekylen, enligt Pettitt.

Han och hans medarbetare använde en modell som deformerar och knäcker DNA var 24:e baspar, som är nära den genomsnittliga längden som förutses från fagens DNA -sekvens. Införandet av sådana ihållande defekter minskar inte bara den totala böjningsenergin för begränsat DNA, men minskar också den elektrostatiska komponenten i energin och trycket.

"Vi visar att en bred ensemble av polymerkonfigurationer överensstämmer med strukturella data, "han och medarbetaren Christopher Myers, även vid University of Texas Medical Branch, skrev.

Insikter som dessa kan inte erhållas strikt i labbet. De kräver superdatorer som fungerar som molekylära mikroskop, kartlägga rörelsen av atomer och atombindningar i längd- och tidsskalor som inte är möjliga att studera med fysiska experiment enbart.

"Inom molekylärbiologi, det finns ett underbart samspel mellan teori, experiment och simulering, "Pettitt sa." Vi tar parametrar för experiment och ser om de stämmer överens med simuleringar och teorier. Detta blir den vetenskapliga metoden för hur vi nu främjar våra hypoteser. "

Problem som de som Pettitt är intresserad av kan inte lösas på en stationär dator eller ett typiskt campuskluster, men kräver hundratals datorprocessorer som arbetar parallellt för att efterlikna de små rörelserna och fysiska krafterna för molekyler i en cell.

Pettitt kan komma åt TACC:s superdatorer delvis på grund av ett unikt program som kallas Journal of Computational Chemistry initiativ, vilket gör TACC:s datorresurser, expertis och utbildning tillgänglig för forskare inom University of Texas Systems 14 institutioner.

"Beräkningsforskning, som Dr. Pettitt, som försöker överbrygga vår förståelse av fysiska, kemisk, och slutligen biologiska fenomen, innebär så många beräkningar att det bara är riktigt tillgängligt på stora superdatorer som TACC:s Stampede- eller Lonestar5 -system, "sa Brian Beck, en biovetenskapsforskare vid TACC.

"Att ha TACC -superdatorresurser tillgängliga är avgörande för denna typ av forskning, "Sa Pettitt.

HITTA BESTÄLLNINGEN I STÖRRE PROTEINER

Ett annat fenomen som länge har intresserat Pettitt är beteendet hos intrinsiskt störda proteiner (IDP) och egendomligt störda domäner, där delar av ett protein har en störd form.

Till skillnad från kristaller eller det mycket packade DNA:et i virus, som har distinkta, stela former, IDP:er "hamnar i en kladdig röra, "enligt Pettitt. Och ändå är de kritiska för alla former av liv.

Man tror att i eukaryoter (organismer vars celler har komplexa substrukturer som kärnor), ungefär 30 procent av proteinerna har en egendomligt störd domän. Mer än 60 procent av proteinerna som är involverade i cellsignalering (molekylära processer som tar signaler från cellen utanför eller över celler som berättar för cellen vilka beteenden de ska slå på och av som svar) har störda domäner. Liknande, 80 procent av cancerrelaterade signalproteiner har IDP -regioner - vilket gör dem till viktiga molekyler att förstå.

Bland de internflyktingar som Pettitt och hans grupp studerar finns kärnkraftstranskriptionsfaktorer. Dessa molekyler styr uttrycket av gener och har en signaleringsdomän som är rik på den flexibla aminosyran, glycin.

Vikningen av den nukleära transkriptionsfaktorsignaleringsdomänen orsakas inte av vätebindning och hydrofoba effekter, som de flesta proteinmolekyler, enligt Pettitt. Snarare, när de längre molekylerna hittar för många glyciner i ett utrymme, de går utöver sin löslighet och börjar umgås med varandra på ovanliga sätt.

"Det är som att tillsätta för mycket socker i ditt te, ”Förklarar Pettitt.” Det blir inte sötare. Sockret måste falla ur lösningen och hitta en partner - fälla ut i en klump. "

Skriver in Proteinvetenskap 2015, han beskrev molekylära simuleringar som utfördes på Stampede som hjälpte till att förklara hur och varför internt fordonskullar kollapsar i globululika strukturer.

Simuleringarna beräknade krafterna från karbonyl (CO) dipol-dipol-interaktioner-attraktioner mellan den positiva änden av en polär molekyl och den negativa änden av en annan polär molekyl. Han bestämde att dessa interaktioner är viktigare vid kollaps och aggregering av långa glycinsträngar än bildandet av H-bindningar.

"Med tanke på att ryggraden är en egenskap hos alla proteiner, CO-interaktioner kan också spela en roll i proteiner med icke-sekretessekvens där strukturen så småningom bestäms av inre packning och de stabiliserande effekterna av H-bindningar och CO-CO-interaktioner, "avslutade han.

Forskningen möjliggjordes av en tilldelning av beräkningstid på Stampede genom Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) som stöds av National Science Foundation.

Pettitt, en mångårig mästare i superdatorer, använder inte bara TACC -resurser själv. Han uppmuntrar andra forskare, inklusive hans kollegor vid Sealy Center for Strukturell biologi och molekylär biofysik, att använda superdatorer också.

"Avancerad beräkning är viktig för dataanalys och dataförfining från experiment, Röntgen- och elektronmikroskopi, och informatik, "säger han." Alla dessa problem har stora databehandlingsproblem som kan hanteras med avancerad dator. "

När det gäller att avslöja biologins mysterier på de minsta skalorna, inget slår riktigt en jätte superdator.