Суперкомпьютер «Ломоносов», созданный российской компанией «Т-Платформы» для Московского государственного университета (МГУ), обеспечил проведение исследования принципов укладки ДНК. Ученые выполнили моделирование на суперкомпьютере и нашли объяснение форме укладки нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты по принципу спагетти.
По словам ученых, в ядре клетки молекула ДНК упаковывается в виде фрактальной глобулы – «комка», в котором не существует узлов, причем структура петель нитей повторяется в крупных и малых масштабах. Если представить, что ДНК – это длинная леска от спиннинга, то, уронив её на пол и потянув за концы, вы без труда распутаете глобулу, так как она состоит из множества свободных петель разного размера. Такой принцип укладки ДНК напоминает брикет лапши «Доширак» и обеспечивает возможность эффективного считывания с нитей информации.
Процесс укладки ДНК протекает под действием ускоренной тепловой диффузии. Аналогичная теория была разработана учеными для звена полимерной цепи, включающей до 250 000 звеньев. Цепь также свернута во фрактальную глобулу. Для исследования явления ученые выполнили моделирование полимерной цепи на суперкомпьютере «Ломоносов» и проанализировали параметры тепловых процессов, происходящих в ней.
В МГУ отмечают, что фрактальную глобулу предсказали ещё в 1988 году физики Александр Гросберг, Сергей Нечаев и Евгений Шахнович. Исследователи назвали её складчатой, однако с переименованием термина его суть не изменилась.
Компьютерное моделирование позволило виртуально «уложить» хроматиновую цепочку во фрактальную глобулу, отслеживая тепловые процессы, происходящие внутри. Ранее исследователям не удавалось получить достоверные результаты моделирования слишком длинных цепочек, так как процесс их прихода в равновесное состояние занимал слишком много времени, а до этого момента исследование тепловой диффузии является нецелесообразным.
«Ломоносов» показал, что частицы, являющиеся звеньями хроматиновой цепочки, во фрактальной глобуле движутся быстрее, чем в обычной – квадрат теплового смещения растет в степени 0,4, а не в степени 0,25. Вероятно, это и определило выбор метода спагетти в качестве способа укладки ДНК в ядре.
Моделирование на суперкомпьютере «Ломоносов» позволило понять, как именно происходит хранение информации в ДНК и её считывание, а также установить перечень ключевых факторов и процессов, оказывающих на неё влияние. Михаил Тамм, старший научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ, отмечает: «Мы сумели оценить тепловую динамику, свойственную этому виду укладки. Проведенное нами компьютерное моделирование хорошо подтвердило теоретический результат. С точки зрения динамики нам бы хотелось разобраться с тем, какие там встроенные характерные времена, какие процессы могут происходить просто за счет теплового движения, а что неизбежно требует привлечения активных элементов, ускоряющих работу ДНК».
По информации https://hi-tech.mail.ru/news/lomonosov-dna.html
