Genomo sekos nustatymai simuliuojami superkompiuteriu

2008 metais tyrėjų grupė, vadovaujama Aleksejaus Aksimentjevo (University of Illinois-Urbana-Champaign), pradėjo projektą, kurio tikslas buvo sukurti genomą nustatančius įrenginius, tinkančius ligoninėms. Panaudodami Ouk Ridž nacionalinės laboratorijos (Oak Ridge National Laboratory) superkompiuterį (pavadintą Jaguar vardu), kuris yra vienas greičiausių pasaulio superkompiuterių, Aksimentjevas su savo grupe nagrinėja nanoporų pritaikymo galimybę DNR struktūros tyrimuose. Manoma, kad nanoporų panaudojimas gali stipriai sumažinti visos DNR sekos nustatymo procedūros laiką bei kainą. Eksperimento metu DNR yra leidžiama per vieną nanoporą. Ir kai tik DNR praeina ją, nukleotidų (DNR grandinėlę sudarančių blokų) seka yra nustatoma detektoriumi.

„Pagrindinė problema ankstesniuose sekos nustatymo metoduose, kuriuose naudojami senesnės kartos biologinės ir sintetinės nanoporos, buvo nesugebėjims identifikuoti DNR seką vieno nukleotido skiriamąja geba, - sakė Aksimentjevas. - Nukleotidai pereidavo porą per greitai, kad mokslininkai galėtų jas užregistruoti“.

Aksimentjevo grupė naudoja MspA nanoporą, kuri yra laboratorijos sąlygomis sukurtas baltymas. Baltymo seka gali būti keičiama, kad jis labiau sąveikautų su judančios DNR grandinėlės kraštais. MspA idealiai tinka DNR sekos nuskaitymui, kadangi mokslininkai gali išmatuoti nanoporoje esančias „užtvankas“, kurios lėtina DNR judėjimą per dirbtinį baltymą. Laboratorijos sąlygomis MspA baltymo modeliavimas, siekiant optimizuoti užtvankų savybes, yra sudėtingas ir daug laiko bei sąnaudų reikalaujantis procesas. Žymiai pigiau ir greičiau tai galima atlikti kompiuterio pagalba. Pavyzdžiui, mokslininkai turi nustatyti ar tam tikru būdu modifikuotas baltymas gali būti stabilus ir ar tyrimų idėja yra teisinga ir įgyvendinama. Todėl pirmiausia MspA baltymo mutacijų modeliavimas yra atliekamas kompiuteryje. Iškelta idėja patikrinama skaičiavimais ir tik pasitvirtinus jos teisingumui, atliekamas eksperimentas.

Skaičiavimams naudojama NAMD programa, kuri randa didelės biomolekulės minimalią energiją bei apskaičiuoja, kokios formos biomolekulė turėtų būti. MspA baltymo modelio skaičiavimai atliekami lipidų sluoksnyje su elektrolito tirpalu. Tada nagrinėjama elektrinių laukų įtaka. Elektriniai laukai traukia jonus ir DNR per MspA nanoporą.

Teorinis tyrimas apima molekulių dinamikos nagrinėjimą, kuris nustato kiekvieno molekulinės sistemos atomo judėjimą remiantis fizikiniais gamtos dėsniais. Tokiu būdu atkuriami eksperimente vykstantys procesai. Teorinio tyrimo rezultatai gali būti tiesiogiai palyginti su eksperimentiniais duomenimis, nes, pasak Aksimentjevo, abu metodai matuoja jonų srovę. Žinodami kiekvieno DNR atomo ir jono poziciją, mokslininkai gali optimizuoti nanoporos seką, kad naujo dizaino baltymas geriau prisikabintų prie DNR molekulės ir sulėtintų jos greitį. Lėtesnis greitis reiškia, kad detektorius galės registruoti kiekvieną grandinėlės nukleotidą.

„Mes atlikome keletą MspA molekulės teorinių tyrimų ir stebėjome žymų DNR grandinėlės greičio sumažėjimą, - sakė Aksimentjevas. - Šie preliminarūs rezultatai rodo, kad sumažinus DNR greitį apie šimtą kartų, būtų galima nuskaityti kiekvieną DNR sekos nukleotidą. Tolimesni tyrimai ir bus koncentruojami šia kryptimi“.

Grupė tikisi pasiekti projekte iškeltus tikslus iki 2013 metų ir planuoja naujus papildomus projektus. Genomo sekos nustatymo patobulinimas sudarys sąlygas atsirasti naujoms programoms, tokioms kaip Vėžio genomo projektas, kuris leis charakterizuoti DNR mutacijas vėžinėse ląstelėse įvairiose vėžio vystymosi stadijose.