想象一下，如果一個(gè)密集的灌木叢沒(méi)有阻擋你的路徑，而是把你撿起來(lái)穿過(guò)森林。這就是緊密堆積的DNA可能與重要的生命分子所做的事情，以便按時(shí)將它們送到需要的地方。根據(jù)喬治亞理工學(xué)院研究人員的一項(xiàng)研究，DNA作為轉(zhuǎn)運(yùn)渠道的新模擬可能會(huì)破壞科學(xué)家們對(duì)大型分子如何稱為轉(zhuǎn)錄因子在進(jìn)行遺傳任務(wù)的過(guò)程中擴(kuò)散的方式的破壞。模擬為我們對(duì)細(xì)胞難以捉摸的內(nèi)在力學(xué)的圖片添加了重要的筆觸。

模擬強(qiáng)烈支持這樣的假設(shè)：在活細(xì)胞中，DNA不斷運(yùn)動(dòng)，使其成為轉(zhuǎn)錄因子的主要推動(dòng)者，進(jìn)入DNA的靶位點(diǎn)。在那里，這些因素將遺傳密碼轉(zhuǎn)錄為維持生命的行為。

DNA大猩猩籠

轉(zhuǎn)錄因子如何通過(guò)DNA傳播一直是個(gè)謎，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子如此之大，而且天然DNA緊密纏繞。繞組內(nèi)的空間通常比需要通過(guò)它們的轉(zhuǎn)錄因子小得多。

“如果灌木叢如此厚實(shí)，而且它不會(huì)移動(dòng)，那么它應(yīng)該是不可穿透的。那么，你如何把東西送到正確的地方?” 佐治亞理工學(xué)院生物科學(xué)學(xué)院教授杰弗里斯科爾尼克問(wèn)道。

如果DNA確實(shí)是不動(dòng)的，那么蛋白質(zhì)分子就會(huì)像大猩猩一樣陷入DNA叢中，進(jìn)入狗籠。

DNA手表彈簧

但Skolnick和合作者Edmond Chow是一位專注于處理非常大的科學(xué)問(wèn)題的算法的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，他相信人們普遍認(rèn)為天然存在的DNA像棒一樣僵硬是錯(cuò)誤的。他們的模擬將桿變成了電線，像手表彈簧一樣緊張，以蛇形動(dòng)作彎曲和撥浪鼓。斯科爾尼克說(shuō)：“DNA運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通過(guò)其叢林移動(dòng)分子的主導(dǎo)力量。” “DNA是一個(gè)惡霸。”

指導(dǎo)喬治亞理工學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)研究中心的斯科爾尼克和喬治亞理工學(xué)院計(jì)算科學(xué)與工程學(xué)院副教授周先生于6月6日在生物物理學(xué)雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們模擬的論文。

Chow和Skolnick模擬了一種名為L(zhǎng)acI的轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)大腸桿菌細(xì)菌細(xì)胞的DNA移動(dòng)。LacI是一種依賴于乳糖的抑制性分子，但該功能在該研究中沒(méi)有發(fā)揮作用。眾所周知的轉(zhuǎn)錄因子是許多關(guān)于轉(zhuǎn)錄因子運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究的支柱。

滑動(dòng)，跳躍和跳房子

在模擬中，DNA鏈彎曲出LacI的路徑，并將大分子向前推進(jìn)到灌木叢中的下一個(gè)口袋中，依此類推。

基于剛性DNA的假設(shè)會(huì)使轉(zhuǎn)錄因子的移動(dòng)速度比實(shí)際看起來(lái)慢得多。但Chow和Skolnick的搖擺模擬在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中確定了擴(kuò)散速率，并解釋了為什么它們?nèi)绱酥臁?/p>

已知轉(zhuǎn)錄因子沿DNA鏈滑動(dòng)，如磁鐵沿著光滑的導(dǎo)線滑動(dòng)，直到它們咔噠進(jìn)入特定的凹槽，在那里它們完美地配合，這是他們工作的地方。并且他們已經(jīng)知道跳下DNA鏈然后重新連接。

“但滑動(dòng)和跳躍的組合仍然不能解釋擴(kuò)散的速度，”周說(shuō)。

一跳之后重新連接實(shí)際上可以通過(guò)DNA將轉(zhuǎn)錄因子的速度放回到之前的鏈上。DNA叢林的模擬擺動(dòng)使得抄錄者變得越來(lái)越遠(yuǎn)，從而增加了它們的擴(kuò)散速度。

艱巨的計(jì)算

這些模擬將有助于其他研究人員了解重要的細(xì)胞過(guò)程，并可能有助于提高生物和醫(yī)學(xué)研究的速度和準(zhǔn)確性。模擬動(dòng)力學(xué)背后的計(jì)算是艱巨的。

“這些模擬是這個(gè)問(wèn)題所特有的，因?yàn)樗鼈兙哂芯薮蟮膬?yōu)勢(shì)和先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)。非常高效的算法在功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)上并行運(yùn)行，而且，模擬完成需要三周時(shí)間，”Chow說(shuō)。

并行計(jì)算將問(wèn)題分成可以同時(shí)或并行運(yùn)行的部分，而不是在一個(gè)漫長(zhǎng)而耗時(shí)的過(guò)程中。這允許程序同時(shí)利用許多處理器，從而使計(jì)算速度倍增。

即使有了這種能力，為了使模擬可以計(jì)算，研究人員不得不縮小DNA和LacI的模型，以揭示運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)，而無(wú)需打扮細(xì)胞DNA的所有細(xì)節(jié)。“你必須選擇你忽略的部分和你放入的部分，”斯科爾尼克說(shuō)。“如果你把所有東西都放進(jìn)去，即使使用最快的代碼也無(wú)法做到。”

蜂窩玩具土地

研究人員希望承擔(dān)更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可能會(huì)在幾年后形成一個(gè)類似玩具的完整細(xì)胞模型。

“最終的目標(biāo)是將整個(gè)細(xì)胞放在計(jì)算機(jī)上。讓它存活下來(lái)。讓它分裂，并理解這些過(guò)程，”斯科爾尼克說(shuō)。“甚至可能讓細(xì)胞發(fā)生變異和進(jìn)化。”

這背后的計(jì)算機(jī)科學(xué)將是有抱負(fù)的。“當(dāng)問(wèn)題的規(guī)模增大時(shí)，解決問(wèn)題的計(jì)算成本會(huì)不成比例地增長(zhǎng)，”周說(shuō)。“即使擴(kuò)大問(wèn)題規(guī)模，你也必須構(gòu)建能夠高效運(yùn)行的算法。”