Forskare vid Los Alamos National Laboratory har skapat den hittills största simuleringen av en hel DNA -gen, en bedrift som krävde en miljard atomer för att modellera och kommer att hjälpa forskare att bättre förstå och utveckla botemedel mot sjukdomar som cancer.

"Det är viktigt att förstå DNA på denna detaljnivå eftersom vi vill förstå exakt hur gener slås på och av, "sa Karissa Sanbonmatsu, en strukturbiolog på Los Alamos. "Att veta hur detta händer kan låsa upp hemligheterna för hur många sjukdomar som uppstår."

Att modellera gener på atomistisk nivå är det första steget mot att skapa en fullständig förklaring av hur DNA expanderar och dras ihop, som styr genetisk på/av -omkoppling.

Sanbonmatsu och hennes team sprang genombrottssimuleringen på Los Alamos 'Trinity -superdator, den sjätte snabbaste i världen. Trinitys förmågor stöder främst National Nuclear Security Administration lagerförvaltningsprogram, vilket garanterar säkerheten, säkerhet, och effektiviteten i nationens kärnkraftsförråd.

DNA är ritningen för alla levande saker och innehåller generna som kodar strukturerna och aktiviteten i människokroppen. Det finns tillräckligt med DNA i människokroppen för att svepa runt jorden 2,5 miljoner gånger, vilket innebär att den är komprimerad på ett mycket exakt och organiserat sätt.

Den långa, strängliknande DNA-molekyl avvecklas i ett nätverk av små, molekylära spolar. Sätten som dessa spolar vindar och varva ner, slår på och av gener. Forskning om detta spolnätverk är känt som epigenetik, en ny, växande vetenskapsområde som studerar hur kroppar utvecklas inuti livmodern och hur sjukdomar bildas.

När DNA är mer komprimerat, gener stängs av och när DNA expanderar, gener slås på. Forskare förstår ännu inte hur eller varför detta händer.

Medan atomistisk modell är nyckeln till att lösa mysteriet, simulera DNA på denna nivå är ingen lätt uppgift och kräver massiv datorkraft.

"Just nu, vi kunde modellera en hel gen med hjälp av Trinity -superdatorn i Los Alamos, sa Anna Lappala, en polymerfysiker vid Los Alamos. "I framtiden, vi kommer att kunna använda exascale superdatorer, vilket ger oss en chans att modellera hela genomet. "

Exascale -datorer är nästa generations superdatorer och kommer att köra beräkningar många gånger snabbare än nuvarande maskiner. Med den typen av datorkraft, forskare kommer att kunna modellera hela det mänskliga genomet, ger ännu mer inblick i hur gener slås på och av.

I den nya studien publicerad i Journal of Computational Chemistry 17 april kl. Los Alamos -teamet samarbetade med forskare från RIKEN Center for Computational Science i Japan, New Mexico Consortium och New York University för att samla in ett stort antal olika typer av experimentella data och sätta ihop dem för att skapa en all-atom-modell som överensstämmer med dessa data.

Simuleringar av detta slag informeras genom experiment, inklusive infångning av kromatinkonformation, kryo-elektronmikroskopi och röntgenkristallografi samt ett antal sofistikerade datormodelleringsalgoritmer från Jaewoon Jung (RIKEN) och Chang-Shung Tung (Los Alamos).