首次創造出：十億個原子的完整DNA基因模擬！

洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)研究人員創造了迄今為止對整個DNA基因進行的最大模擬，這一壯舉需要10億個原子來建模，將有助於研究人員更好地理解和開發癌症等疾病的治療方法。洛斯阿拉莫斯實驗室的結構生物學家卡里薩·桑邦馬祖(Karissa Sanbonmatsu)說：在這樣的細節水平上理解DNA是很重要的，因為我們想準確地理解基因是如何開啟和關閉的。知道這是如何發生的，可以解開多少疾病發生的秘密。

在原子水平上對基因進行建模是完整解釋DNA如何膨脹和收縮的第一步，而DNA膨脹和收縮控制著基因的開關。Sanbonmatsu和團隊在洛斯阿拉莫斯的Trinity超級計算機上進行了突破性模擬，這台超級計算機是世界上速度第六快。能力主要支持美國國家核安全管理局(National Nuclear Security Administration)的庫存管理計劃，該計劃確保美國核庫存的安全性、安全性和有效性。DNA是所有生物的藍圖，擁有編碼人體結構和活動的基因。人體中的DNA環繞地球250萬次，這意味著它以一種非常精確和有組織的方式被壓縮。

一個由洛杉磯阿拉莫斯領導的團隊創造了迄今為止最大，對整個DNA基因的模擬，這一壯舉需要10億個原子來建模。圖片：Los Alamos National Laboratory

這個長長的、線狀的DNA分子被纏繞在一個由微小分子線軸組成的網路中。這些線軸纏繞和放鬆的方式開啟和關閉了基因。對這個線軸網路的研究被稱為表觀遺傳學，這是一個新興的科學領域，研究子宮內的身體如何發育以及疾病如何形成。當DNA更緊密時，基因關閉，當DNA膨脹時，基因開啟。研究人員還不清楚這是如何發生的，以及為什麼會發生。雖然原子模型是解開這個謎團的關鍵，但是在這個層次上模擬DNA並不是一件容易的事情，它需要巨大的計算能力。

洛斯阿拉莫斯的聚合物物理學家安娜·拉帕拉(Anna Lappala)說：現在，我們能夠在洛斯阿拉莫斯Trinity超級計算機的幫助下，建立一個完整的基因模型。在未來，將能夠利用百億億次超級計算機，這將給我們一個機會來模擬整個基因組。百億億級計算機是下一代超級計算機，運算速度將比目前計算機快很多倍。有了這種計算能力，研究人員將能夠對整個人類基因組進行建模，從而更深入地了解基因是如何開啟和關閉的。發表在《計算化學》(Journal of Computational Chemistry)上的這項新研究中

洛斯阿拉莫斯團隊與日本理研所(RIKEN Center for Computational Science)，新墨西哥聯盟(new Mexico Consortium)和紐約大學(new York University)的研究人員合作收集了大量不同種類的實驗數據，並將它們放在一起，創建了一個與這些數據一致的全原子模型。通過實驗，包括染色質構象捕獲、低溫電子顯微鏡和x射線晶體學，以及Jaewoon Jung (RIKEN)和Chang-Shung Tung (Los Alamos)的一些複雜的計算機建模演算法，對這類模擬提供了信息。

博科園-科學科普｜研究/來自: 洛斯阿拉莫斯國家實驗室

參考期刊文獻:《Journal of Computational Chemistry》

DOI: 10.1002/jcc.25840

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