治愈癌癥，艾滋病毒和其他頑固疾病已經(jīng)回避了幾代人最聰明的頭腦。但隨著超級(jí)計(jì)算機(jī) - 可以計(jì)算，分析和可視化極大量數(shù)據(jù)的計(jì)算系統(tǒng) - 研究人員正在爭(zhēng)取更好的治療和治療。美國(guó)國(guó)家癌癥研究所(NCI)的研究人員正在美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用超級(jí)計(jì)算機(jī)，通過加強(qiáng)我們對(duì)從根本上涉及健康和疾病的生物聚合物RNA的理解來(lái)推進(jìn)疾病研究。

通過與Argonne領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算機(jī)構(gòu)(ALCF)的工作人員合作，研究人員完善了一種能夠準(zhǔn)確計(jì)算RNA序列三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種方法依賴于稱為RS3D和Mira的計(jì)算機(jī)程序 - 世界上第九快的超級(jí)計(jì)算機(jī) - 為研究人員提供了研究癌癥和其他疾病的相關(guān)RNA的結(jié)構(gòu)見解，可用于推進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助藥物的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

RNA不僅可以作為蛋白質(zhì)制造的DNA解釋信使，還可以在調(diào)節(jié)基因表達(dá)方面發(fā)揮多方面作用 - 例如基因表達(dá)的時(shí)間，地點(diǎn)和效率。因此，研究人員正在積極尋求了解新RNA序列的功能。為了獲得完整的圖像，他們需要知道RNA的生物活性形式，這些形式反映在RNA序列產(chǎn)生后折疊成的復(fù)雜3-D結(jié)構(gòu)中。

“我們已經(jīng)知道RNA的基本化學(xué)基團(tuán)以及它們是如何組成的，但我們不知道它們采取的構(gòu)象結(jié)構(gòu)是什么，”Argonne Leadership Computing Facility的研究員Wei Jiang說道。在項(xiàng)目中領(lǐng)先。

“獲得真正的功能結(jié)構(gòu)，即三維結(jié)構(gòu)，很難通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，因?yàn)镽NA聚合物過于靈活，”他說。“這就是我們依賴計(jì)算模擬的原因。模擬可以用來(lái)探索數(shù)百或數(shù)千種可能的構(gòu)象狀態(tài)，最終將我們引向最可能的三維結(jié)構(gòu)。”

計(jì)算機(jī)程序RS3D由國(guó)家癌癥研究所研究小組開發(fā)，由研究員Yun-Xing Wang和博士后研究員Yuba Bhandari領(lǐng)導(dǎo)，并由ALCF研究人員優(yōu)化運(yùn)行Mira;江在將RS3D代碼擴(kuò)展到Mira的大部分代碼上發(fā)揮了核心作用，這大大改善了它的性能。

作為輸入，RS3D使用已知的RNA序列信息和來(lái)自小角度X射線散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這種技術(shù)基于X射線束產(chǎn)生的散射圖案提供重要的結(jié)構(gòu)信息，例如粒子大小和形狀。應(yīng)用于目標(biāo)樣本。通過這些輸入，RS3D輸出RNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低分辨率3-D圖像，提供最可能的折疊模式。

“由于RNA的生物活性形式是一種三維結(jié)構(gòu)，從了解RNA的一級(jí)序列和二維布局到理解三維形態(tài)是一個(gè)很大的踩踏石頭，它給了我們很多有用的關(guān)于生物功能的信息，“該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者之一Bhandari說。“了解結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為進(jìn)一步研究各種疾病的分子相互作用和生物學(xué)途徑奠定了基礎(chǔ)。”

研究人員通過使用它來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)已知的18種RNA聚合物的三維結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證他們的技術(shù)。這些選擇的RNA折疊成各種各樣的結(jié)構(gòu)，代表了常見的折疊結(jié)構(gòu)。此外，研究人員使用R3SD以及在高光子源Argonne的同步加速器光源記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算腺嘌呤核糖開關(guān)的結(jié)構(gòu)，腺嘌呤核糖開關(guān)是一種已知調(diào)節(jié)基因表達(dá)的RNA結(jié)構(gòu)。

“這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)獨(dú)特和有利的特點(diǎn)是它完全自動(dòng)化，這意味著它不需要用戶輸入初始的3-D結(jié)構(gòu)模板來(lái)工作。這使得它與執(zhí)行類似計(jì)算的其他方法區(qū)別開來(lái)， “班達(dá)里說。“這有助于我們消除可能通過模板引入的任何潛在限制或偏見，并使整個(gè)方法更容易應(yīng)用。”

研究人員現(xiàn)在正在發(fā)布他們的技術(shù);此后，源代碼將提供給研究人員。在方法中發(fā)表了題為“使用小角度X射線散射建模RNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”的文章中的計(jì)算工作的簡(jiǎn)要概述。