شبیه‌سازی کامل یک ژن در سطح اتم برای نخستین بار در جهان

پژوهشگران آزمایشگاه ملی لس آلاموس در آمریکا برای نخستین بار در جهان، کل یک ژن را در سطح اتمی شبیه‌سازی کردند؛ شاهکاری که نیاز به مدل‌سازی یک میلیارد اتم داشت و به درک بهتر ساختار ژن‌ها و توسعه‌ی داروهایی برای بیماری‌هایی نظیر سرطان کمک خواهد کرد. کریسا سانبونماتسو دانشمند زیست‌شناس لس آلاموس می‌گوید:

مهم است که DNA را در این سطح از جزئیات درک کنیم زیرا ما می‌خواهیم بدانیم که دقیقا چگونه ژن‌ها روشن و خاموش می‌شوند. دانستن اینکه این فرایند چگونه اتفاق می‌افتد، می‌تواند اسرار نحوه‌ی بروز بسیاری از بیماری‌ها را فاش کند.

مدل‌سازی ژن‌ها در سطح اتمی، نخستین گام به‌سوی ایجاد یک توضیح کامل درمورد نحوه‌ی جمع شدن و باز شدن DNA است، فرایندی که کلید روشن و خاموش شدن ژنتیکی است. سانبونماتسو و گروهش این شبیه‌سازی پیشرفته را روی سوپرکامپیوتر ترینیتی لس آلاموس که ازنظر سرعت ششمین کامپیوتر جهان است، اجرا کردند. آمریکا از قابلیت‌های ترینیتی در برنامه‌های سازمان امنیت هسته‌ای خود استفاده می‌کند.

پژوهشگران آزمایشگاه لس آلاموس در شاهکاری که نیاز به مدل‌سازی یک میلیارد اتم داشت، بزرگ‌ترین شبیه‌سازی کل تاریخ از یک ژن را انجام دادند

DNA الگوی ساخت تمام موجودات زنده است و ژن‌هایی را در خود جای داده که کدکننده‌ی ساختارها و فعالیت‌ها بدن انسان هستند. در بدن یک انسان به آن اندازه DNA وجود دارد که بتواند ۲/۵ میلیون بار دور زمین بپیچد. این امر به این معنا است که این مولکول به شیوه‌ای بسیار دقیق و سازماندهی‌شده، متراکم شده است. مولکول بلند و رشته مانند DNA در شبکه‌ای از قرقره‌های ملکولی ریز، پیچ خورده است. روشی که این قرقره‌ها پیچ خورده یا باز می‌شوند، موجب روشن و خاموش شدن ژن‌ها می‌شود. پژوهش در این شبکه‌های قرقره‌ای به‌عنوان اپی‌ژنتیک شناخته می‌شود؛ یک حوزه ی جدید و در حال پیشرفت از علم که نحوه‌ی توسعه‌ی جسم درون رحم و نیز ظهور بیماری‌ها را مورد مطالعه قرار می‌دهد. هنگامی که DNA فشرده می‌شود، ژن‌ها خاموش می‌شوند و زمانی‌که DNA باز می‌شود، ژن‌ها روشن می‌شوند. پژوهشگران هنوز نمی‌دانند که چرا و چگونه این اتفاق می‌افتد.

درحالی‌که مدل اتمی، کلید حل این معما است، شبیه‌سازی DNA در این سطح کار راحتی نیست و نیاز به قدرت محاسباتی بسیار بالایی دارد. آنا لاپالا فیزیک‌دان آزمایشگاه لس آلاموس می‌گوید:

درحال حاضر ما توانسته‌ایم کل یک ژن را به‌کمک سوپرکامپیوتر ترینیتی مدل‌سازی کنیم. در آینده، ما خواهیم توانست از سوپرکامپیوترهای فوق مقیاس استفاده کنیم که به ما شانسی برای شبیه‌سازی کل ژنوم خواهند داد.

این کامپیوترها نسل بعدی سوپرکامپیوترها خواهند بود و نسبت‌به ماشین‌های کنونی، محاسبات را با سرعت بسیار بیشتری انجام خواهند داد. با آن قدرت محاسباتی، پژوهشگران قادر خواهند بود که کل ژنوم انسان را شبیه‌سازی کنند و بینش بیشتری درمورد نحوه‌ی فعال و غیرفعال شدن ژن‌ها به‌دست آورند. در مطالعه‌ی جدید که در مجله‌ی Journal of Computational Chemistry منتشر شده است، پژوهشگران لس آلاموس با پژوهشگرانی از مراکز علمی مختلف جهان همکاری کردند تا اطلاعات مربوط‌به انواع مختلف داده‌ها را به‌دست آوردند و با ترکیب کردن آن‌ها یک مدل کاملا اتمی ایجاد کردند که با اطلاعات اولیه سازگاری داشت.