Gli scienziati del Laboratorio di fisica sperimentale delle alte energie della TSU ei loro colleghi dell'Università di Bordeaux stanno studiando nuovi modi di modellare gli effetti di basse dosi di radiazioni a livello cellulare. Per la prima volta, i fisici simuleranno gli effetti delle radiazioni sul DNA e calcoleranno la probabilità di sviluppare il cancro in vari ambienti chimici e biologici.

Si tratta di un progetto interdisciplinare che combina la modellistica in fisica, biologia e biochimica. Gli scienziati studieranno i processi che si verificano nella cellula a seguito dell'esposizione alle radiazioni su molecole ambientali e macromolecole biologiche e sui successivi processi fisico-chimici e biochimici.

Quando esposto a radiazioni sul corpo umano, radiazioni ad alta frequenza o particelle ad alta energia penetrano nella cellula vivente, eliminando gli elettroni dalle molecole che lo compongono. Se contemporaneamente compaiono ioni nella cellula o il suo DNA è danneggiato, allora la cellula non può funzionare normalmente. Tutti questi processi verranno riprodotti da programmi di modellazione matematica all'interno del pacchetto software Geant4.

"Questo strumento di modellazione integrato è già utilizzato in medicina nucleare per il trattamento delle malattie oncologiche ed è richiesto anche nell'astronautica, Per esempio, per la preparazione di spedizioni interplanetarie, perché aiuta a prevedere l'effetto delle radiazioni su astronauti e attrezzature durante una permanenza a lungo termine nello spazio, " spiega Alexander Khodinov, Responsabile del Laboratorio di Fisica Sperimentale delle Alte Energie presso la TSU.

Nella prima fase, i calcoli saranno effettuati utilizzando le strutture informatiche della TSU. La complessità di tale lavoro è che il calcolo di ogni ciclo o evento richiede fino a un'ora su un computer moderno.

"La rappresentazione reale anche di una singola cella richiede la descrizione di un numero di componenti paragonabile alla descrizione di un grande impianto fisico, " aggiunge Alexander Khodinov. "Dobbiamo non solo combinare tutti i processi di modellazione nello stesso ambiente, ma aumenta anche la velocità dei calcoli utilizzando gli acceleratori hardware GPU e FPGA."

Il nuovo progetto è diventato possibile grazie alla partecipazione dei fisici della TSU agli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) presso il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN). Gli approcci alla creazione di programmi per computer per LHC includono lo sviluppo di metodi per il calcolo parallelo e l'analisi di grandi quantità di dati, che verrà ora utilizzato per studiare l'effetto delle radiazioni sul DNA.

Prima, Gli scienziati di Tomsk ei loro colleghi francesi hanno utilizzato il pacchetto di applicazioni utente Geant4-DNA per modellare le interazioni elettroniche nell'acqua liquida. I risultati sono descritti nell'articolo "Geant4-DNA Example Applications for Track Structure Simulations in Liquid Water:a Report from the Geant4-DNA Project".