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。但隨著超級計算機 - 可以計算，分析和可視化極大量數(shù)據(jù)的計算系統(tǒng) - 研究人員正在爭取更好的治療和治療。美國國家癌癥研究所(NCI)的研究人員正在美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室使用超級計算機，通過加強我們對從根本上與健康和疾病有關(guān)的生物聚合物RNA的理解來推進疾病研究。

通過與Argonne領(lǐng)導(dǎo)計算機構(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的計算機程序 - 世界上第九快的超級計算機 - 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，可用于推進計算機輔助藥物的設(shè)計和開發(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)基因表達方面發(fā)揮多方面的作用 - 例如基因表達的時間，地點和效率。出于這個原因，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領(lǐng)導(dǎo)計算機構(gòu)研究員Wei Jiang說道。在項目中領(lǐng)先。“獲得真正的功能結(jié)構(gòu)，即三維結(jié)構(gòu)，很難通過實驗進行，因為RNA聚合物過于靈活，”他說。“這就是我們依賴計算模擬的原因。模擬可以用來探索數(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)。”

計算機程序RS3D由國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)化運行Mira; 在擴展RS3D代碼以在Mira的大部分上運行時，Jiang發(fā)揮了核心作用，這顯著改善了其性能。

作為輸入，RS3D使用已知的RNA序列信息和來自小角度X射線散射的實驗數(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的拓撲結(jié)構(gòu)的低分辨率三維圖像，提供最可能的折疊模式。

“由于RNA的生物活性形式是三維結(jié)構(gòu)，從理解RNA的一級序列和二維布局到理解三維形態(tài)是一個很大的墊腳石，它給了我們很多有用的關(guān)于生物功能的信息，“該項目的領(lǐng)導(dǎo)者之一Bhandari說。“了解結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為進一步研究各種疾病中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計算結(jié)構(gòu)已知的18種RNA聚合物的三維結(jié)構(gòu)來驗證他們的技術(shù)。這些選擇的RNA折疊成各種各樣的結(jié)構(gòu)，代表常見的折疊結(jié)構(gòu)。此外，研究人員使用R3SD以及在高級光子源Argonne的同步加速器光源記錄的實驗數(shù)據(jù)來計算腺嘌呤核糖開關(guān)的結(jié)構(gòu)，腺嘌呤核糖開關(guān)是一種已知調(diào)節(jié)基因表達的RNA 結(jié)構(gòu)。

“這項技術(shù)的一個獨特和有利的特點是它完全自動化，這意味著它不需要用戶輸入初始的3-D結(jié)構(gòu)模板來工作。這使得它與執(zhí)行類似計算的其他方法區(qū)別開來， “班達里說。“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拓撲結(jié)構(gòu)”的文章中的計算工作的簡要概述。