Представьте, если бы густая чаща не преградила вам путь, а вместо этого подхватила бы вас и понесла через лес. Это то, что плотно упакованная ДНК может делать с важными жизненными молекулами, чтобы вовремя доставить их туда, где они нужны.
Новое моделирование ДНК как транспортного канала может разрушить то, как ученые думали о том, как большие молекулы, называемые факторами транскрипции, диффундируют на своем пути для выполнения генетических миссий, согласно исследованию, проведенному исследователями из Технологического института Джорджии. Моделирование добавляет важные штрихи 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 движителем факторов транскрипции к их целевым участкам ДНК. Там факторы регулируют транскрипцию генетического кода для поддержания жизни.
ДНК клетка для гориллы
Как факторы транскрипции перемещаются по ДНК, было загадкой, потому что белковые молекулы очень велики, а природная ДНК так сильно запутана. Пространства внутри обмоток обычно намного меньше, чем факторы транскрипции, которые должны пройти через них.
"Если чаща такая густая и к тому же не шевелится, значит, она должна быть непроходимой. Так как же доставить вещи в нужное место?" - спросил Джеффри Сколник, профессор Школы биологических наук Технологического института Джорджии.
Если бы ДНК действительно была неподвижна, молекула белка оказалась бы застрявшей в зарослях ДНК, как горилла в собачьей клетке.
пружины 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 встречающаяся в природе ДНК жесткая, как стержни, ложно. Их симуляции превращают стержни в провода, натянутые, как часовые пружины, которые изгибаются и гремят змеиными движениями.
«Движение ДНК является доминирующей силой, движущей молекулы через ее заросли», - сказал Сколник. «ДНК - хулиган».
Сколник, который руководит Центром изучения системной биологии Технологического института Джорджии, и Чоу, доцент Школы вычислительной науки и инженерии Технологического института Джорджии, 6 июня опубликовали статью о своем моделировании в журнале Biophysical Journal.
Чоу и Сколник смоделировали симуляцию фактора транскрипции под названием LacI, перемещающегося через ДНК бактериальной клетки Escherichia coli. LacI представляет собой ингибирующую молекулу, которая зависит от лактозы, но эта функция не играла роли в исследовании. Хорошо известный фактор транскрипции является основой многих экспериментальных исследований перемещения факторов транскрипции.
Слайд, хоп и классики
В симуляциях нити ДНК отклоняются от пути LacI, а также жонглируют большой молекулой вперед в следующий карман в зарослях и так далее.
Гипотезы, основанные на жесткой ДНК, оставляют факторы транскрипции движущимися медленнее, чем кажется на самом деле. Но волнистые модели Чоу и Сколника согласуются со скоростью диффузии, установленной в лабораторных экспериментах, и объясняют, почему они такие быстрые.
Факторы транскрипции, как известно, скользят по нитям ДНК, как магниты по скользким проводам, пока не защелкнутся в определенной канавке, где они идеально подходят, где они и выполняют свою работу. Известно, что они отскакивают от нити ДНК, а затем прикрепляются снова.
"Но скольжение и прыжки вместе взятые все еще не учитывают скорость диффузии", сказал Чоу.
Повторное присоединение после прыжка может снизить скорость транскрипционного фактора через ДНК, вернув его на то место в цепи, где он был раньше. Смоделированное колебание зарослей ДНК заставляет расшифровщиков перемещаться все дальше и дальше, увеличивая скорость их распространения.
Геркулесовы вычисления
Моделирование поможет другим исследователям понять важные клеточные процессы и потенциально поможет повысить скорость и точность биологических и медицинских исследований. Вычисления, лежащие в основе смоделированной динамики, были геркулесовыми.
«Эти симуляции уникальны для этой проблемы из-за их грандиозности и использования передовых вычислительных технологий. Очень эффективные алгоритмы работали параллельно на мощных компьютерах, и, тем не менее, моделирование заняло три недели», - Чоу. сказал.
Параллельные вычисления разбивают задачу на части, которые можно выполнять одновременно или параллельно, а не в одном длительном и трудоемком процессе. Это позволяет программам одновременно использовать множество процессоров, увеличивая скорость вычислений.
Даже с такой мощностью, чтобы сделать симуляцию вообще вычислимой, исследователям пришлось уменьшить модель ДНК и LacI, чтобы выявить динамику движения, не приукрашивая все детали 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».
Сотовая страна игрушек
Исследователи хотят решить гораздо более сложные задачи, которые через несколько лет могут привести к созданию игрушечной упрощенной модели полной клетки.
«Конечная цель - поместить целую клетку в компьютер. Пусть она живет. Пусть она делится и понимает процессы», - сказал Сколник. «Может быть, даже позволить клетке мутировать и развиваться».
Информатика, стоящая за этим, была бы вдохновляющей. «Когда размер проблемы увеличивается, вычислительные затраты на ее решение могут расти непропорционально», - сказал Чоу.«Вы должны создавать алгоритмы, которые могут работать эффективно, даже если вы увеличиваете размер проблемы».