I ricercatori del Los Alamos National Laboratory hanno creato la più grande simulazione fino ad oggi di un intero gene di DNA, un'impresa che ha richiesto un miliardo di atomi per modellare e aiuterà i ricercatori a comprendere meglio e sviluppare cure per malattie come il cancro.

"È importante comprendere il DNA a questo livello di dettaglio perché vogliamo capire esattamente come i geni si accendono e si disattivano, "ha detto Karissa Sanbonmatsu, un biologo strutturale a Los Alamos. "Sapere come questo accade potrebbe svelare i segreti di quante malattie si verificano".

Modellare i geni a livello atomistico è il primo passo verso la creazione di una spiegazione completa di come il DNA si espande e si contrae, che controlla l'accensione/spegnimento genetico.

Sanbonmatsu e il suo team hanno eseguito la simulazione rivoluzionaria sul supercomputer Trinity di Los Alamos, il sesto più veloce al mondo. Le capacità del Trinity supportano principalmente il programma di gestione delle scorte della National Nuclear Security Administration, che garantisce sicurezza, sicurezza, e l'efficacia delle scorte nucleari della nazione.

Il DNA è il modello di tutti gli esseri viventi e contiene i geni che codificano le strutture e l'attività del corpo umano. C'è abbastanza DNA nel corpo umano per avvolgere la terra 2,5 milioni di volte, il che significa che viene compattato in modo molto preciso e organizzato.

Il lungo, molecola di DNA simile a una stringa è avvolta in una rete di minuscoli, bobine molecolari. I modi in cui queste bobine si avvolgono e si srotolano attivano e disattivano i geni. La ricerca su questa rete di bobine è nota come epigenetica, una nuova, crescente campo della scienza che studia come i corpi si sviluppano all'interno dell'utero e come si formano le malattie.

Quando il DNA è più compatto, i geni sono disattivati ​​e quando il DNA si espande, i geni sono accesi. I ricercatori non hanno ancora capito come o perché ciò accada.

Mentre il modello atomistico è la chiave per risolvere il mistero, simulare il DNA a questo livello non è un compito facile e richiede un'enorme potenza di calcolo.

"Proprio adesso, siamo stati in grado di modellare un intero gene con l'aiuto del supercomputer Trinity a Los Alamos, " disse Anna Lappala, un fisico dei polimeri a Los Alamos. "Nel futuro, potremo utilizzare supercomputer su scala exa, che ci darà la possibilità di modellare l'intero genoma".

I computer Exascale sono la prossima generazione di supercomputer ed eseguiranno calcoli molto più velocemente delle macchine attuali. Con quel tipo di potenza di calcolo, i ricercatori saranno in grado di modellare l'intero genoma umano, fornendo ancora più informazioni su come i geni si accendono e si spengono.

Nel nuovo studio pubblicato su Journal of Computational Chemistry 17 aprile il team di Los Alamos ha collaborato con i ricercatori del RIKEN Center for Computational Science in Giappone, il New Mexico Consortium e la New York University per raccogliere un gran numero di diversi tipi di dati sperimentali e metterli insieme per creare un modello di tutti gli atomi che sia coerente con quei dati.

Simulazioni di questo tipo sono informate da esperimenti, compresa la cattura della conformazione della cromatina, microscopia crioelettronica e cristallografia a raggi X, nonché una serie di sofisticati algoritmi di modellazione computerizzata di Jaewoon Jung (RIKEN) e Chang-Shung Tung (Los Alamos).