logo

Пользовательского поиска

Friday 21st of September 2018

Компьютерное моделирование обещает сделать доступным секвенирование ДНК

PDF Печать E-mail
Актуальные темы - Нанотехнологии в медицине и биологии
01.03.2011 23:38

 

 

 

2

 

Крупномасштабные молекулярно-динамические модели показывают микроскопическую механику транслокации ДНК через нанопору. (Фото: tacc.utexas.edu)

 

 


На первое секвенирование генома человека ученым потребовалось 13 лет и 3 миллиарда долларов. Сегодня генетики получают ту же информацию в пределах месяцев за часть этой суммы. Это достижение стало возможным благодаря трансформационным изменениям в технологии и методологии секвенирования ДНК. Секвенсоры «нового поколения», развернутые в 2005 году, создающие и соединяющие миллионы копий сегментов ДНК, чтобы определить их порядок, оставят заметный след в развитии биологических наук. Между тем ученые по всему миру работают над созданием новых усовершенствованных секвенсоров «Поколения 3» и «Поколения 4». Эти секвенсоры «заглатывают» цепочку нуклеотидов и «считывают» ее генетический код напрямую.


Медицинское сообщество с нетерпением ожидает появления секвенирования индивидуального генома стоимостью в 1000 долларов, обещанное «следующим-следующим» поколением секвенсоров. Ученые прогнозируют, что снижение стоимости до этой отметки приведет к настоящей революции в изучении болезней и эволюции и развитию персонализированной медицины.

Физик из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC) Алексей Аксиментьев (Aleksei Aksimentiev), работающий с экспериментаторами из UIUC, Университета Нотр-Дам (University of Notre Dame) и Университета Вашингтона (University of Washington), разрабатывает класс самых передовых секвенсоров с уникальной функциональностью.

Для перемещения цепочки ДНК через маленькое отверстие, или нанопору, либо в кремниевой, либо в биологической мембране секвенсоры используют электрическое поле. Если этот процесс контролируется, секвенсор сможет считывать по порядку каждую пару оснований, измеряя изменение в ионном токе, возникающее в момент прохождения пары через нанопору мембраны.

Великолепная идея – но работает ли она?

По мнению Алексея Аксиментьева, пока нет. Экспериментальным проектам таких секвенсоров мешают блокировки и расширения, зашумленные сигналы и слишком большая скорость прохождения пар оснований через нанопору.

«Из-за такого большого количества факторов эта интуитивно простая физическая модель не применяется на практике», - говорит Аксиментьев. «Экспериментаторы не могут видеть то, что происходит внутри поры. Вот почему мы создаем полные атомные молекулярно-динамические модели их экспериментальных систем – чтобы объяснить, какие процессы генерируют измеряемые ими сигналы».

Используя суперкомпьютер Ranger, принадлежащий Texas Advanced Computing Center (TACC), Аксиментьев создал поатомные модели как экспериментальных, так и еще не протестированных конструкций нанопор. Модели показали микроскопическую конформацию ДНК в нанопоре, дав понимание того, как наиболее эффективно оптимизировать ее конструкцию и как калибровать сигналы оснований.

Аксиментьев установил, что ключевым условием для прямого секвенирования ДНК является нахождение цепочки ДНК в поре в течение временного интервала, достаточного для считывания последовательности.

«Если ДНК движется слишком быстро, считать сигнал и различить пары оснований невозможно», - говорит он. «Мы должны найти способ задержать ДНК».

Он и его коллеги считают, что нашли такой способ.

При растяжении ДНК электрическим полем ее цепочки помещаются в поре, размер которой меньше, чем их диаметр в нерастянутом состоянии. При отключении поля ДНК оказывается в ловушке. Включая и отключая поле, то есть увеличивая и уменьшая растяжение ДНК, можно перемещать ее цепочку, основание за основанием, через пору. Так как диаметр отверстия заставляет ДНК изменять угол наклона, затруднения в обнаружении сигнала могут быть устранены. В 2009 году ученые подали заявку на предварительный патент на первый секвенсор на нанопорах, способный использовать двухцепочечную ДНК.

Из-за чрезвычайно малого масштаба и разрешения моделей для такого рода исследований необходимы высокопроизводительные компьютерные системы. Классические молекулярно-динамические имитации Аксиментьева моделируют взаимодействие 200000 атомов, совершающих миллиарды шагов во времени.

3

 

Доцент кафедры физики Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн Алексей Аксиментьев (AlekseiAksimentiev). (Фото: tacc.utexas.edu)

 

 

Такое моделирование требует больших вычислительных ресурсов. В 2009 году ученым потребовалось более 7 миллионов компьютерных часов на Ranger, самой мощной системе TACC. В 2010 году проект использовал более 8 миллионов часов на Ranger и 10 миллионов часов на системе Jaguar Министерства энергетики США, на которые Аксиментьев выиграл специальный грант INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment). INCITE предоставляет значительные ассигнования проектам, занимающимся крупнейшими проблемами в области науки и техники, для работы на самых мощных суперкомпьютерах.

В дополнении к масштабам проблемы ключевым фактором, определяющим необходимость в более мощных суперкомпьютерах, является скорость. Для того чтобы быть актуальным, моделирование должно выполняться в сроки, позволяющие идти в ногу с лабораторным тестированием.

«Наши сотрудники не могут ждать, пока мы в течение трех месяцев создадим модель», - говорит Аксиментьев. «На этом поле очень большая конкуренция, так что Ranger оказал нам огромную помощь».

Аксиментьев создает модели предложенных своими сотрудниками систем в пределах недели, не отставая от их экспериментов и подавая ключевые идеи.

«Модели доктора Аксиментьева – наши глаза. Мы не можем видеть без них», - говорит Грег Тимп (Greg Timp), профессор электротехники в Университете Нотр-Дам и сотрудник Аксиментьева. «Его молекулярно-динамические модели дали нам микроскопическую картину процесса транслокации, показывающую с атомным разрешением конфигурацию молекулы в поре, а также соответствующие сигналы тока и напряжения, возникающие при прохождении каждого основания через сужение».

Самые последние модели разработаны для улучшения функционирования секвенсора двухцепочечной ДНК путем внесения изменений в геометрию его поры и концентрацию электролитов.

«Работа Аксиментьева является блестящим примером того, как высокопроизводительные вычисления становятся ключевым инструментом экспериментаторов в самом широком круге научных дисциплин», - говорит Майкл Гонзалес (Michael Gonzales), директор программы вычислительной биологии TACC. «Современные компьютерные системы больше не предназначены для анализа экспериментальных результатов. Скорее, информационные технологии во многом управляют проектированием экспериментов».

Система нанопоры, разработанная группой Аксиментьева, не имеет никаких ограничений по длине считывания и не требует маркеров. Таким образом, новое устройство обещает значительное снижение стоимости и соответствующее увеличение скорости.

Разработка такого секвенсора будет иметь важные последствия для медицины, биологии и здоровья человека.

«В случае успеха оно окажет заметное влияние на то, как мы понимаем и лечим болезни человека», - надеется Аксиментьев. «Каждый сможет себе позволить секвенировать свою ДНК».

 

 

По материалам

Blueprint for the Affordable Genome

 

 

Ученые создали модель взаимодействия ДНК с генно-инженерным белком (бактериальным токсином альфа-гемолизином). Эта система может замедлить перемещение цепочки ДНК через пору и дать возможность считать геном пациента.

 

 

Related Articles:
 

Vinaora Visitors Counter

mod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_counter
mod_vvisit_counterToday762
mod_vvisit_counterYesterday2264
mod_vvisit_counterThis week10209
mod_vvisit_counterLast week6312
mod_vvisit_counterThis month23848
mod_vvisit_counterLast month26517
mod_vvisit_counterAll days4114254

We have: 104 guests, 8 bots online
Your IP: 54.161.71.87
 , 
Today: Сен 21, 2018

RSS

Новое на LST

Работает на Joomla!. Valid XHTML and CSS.