想象一下，如果一個密集的灌木叢沒有阻擋你的路徑，而是把你撿起來穿過森林。這就是緊密堆積的DNA可能與重要的生命分子所做的事情，以便按時將它們送到需要的地方。根據(jù)喬治亞理工學院研究人員的一項研究，DNA作為轉運渠道的新模擬可能會破壞科學家們對大型分子如何稱為轉錄因子在進行遺傳任務的過程中擴散的方式的破壞。模擬為我們對細胞難以捉摸的內在力學的圖片添加了重要的筆觸。

模擬強烈支持這樣的假設：在活細胞中，DNA不斷運動，使其成為轉錄因子的主要推動者，進入DNA的靶位點。在那里，這些因素將遺傳密碼轉錄為維持生命的行為。

DNA大猩猩籠

轉錄因子如何通過DNA傳播一直是個謎，因為蛋白質分子如此之大，而且天然DNA緊密纏繞。繞組內的空間通常比需要通過它們的轉錄因子小得多。

“如果灌木叢如此厚實，而且它不會移動，那么它應該是不可穿透的。那么，你如何把東西送到正確的地方?” 佐治亞理工學院生物科學學院教授杰弗里斯科爾尼克問道。

如果DNA確實是不動的，那么蛋白質分子就會像大猩猩一樣陷入DNA叢中，進入狗籠。

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問題的算法的計算機科學家，他相信人們普遍認為天然存在的DNA像棒一樣僵硬是錯誤的。他們的模擬將桿變成了電線，像手表彈簧一樣緊張，以蛇形動作彎曲和撥浪鼓。斯科爾尼克說：“DNA運動遠遠超過了通過其叢林移動分子的主導力量。” “DNA是一個惡霸。”

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

Chow和Skolnick模擬了一種名為LacI的轉錄因子，該轉錄因子通過大腸桿菌細菌細胞的DNA移動。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有發(fā)揮作用。眾所周知的轉錄因子是許多關于轉錄因子運動的實驗研究的支柱。

滑動，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到灌木叢中的下一個口袋中，依此類推。

基于剛性DNA的假設會使轉錄因子的移動速度比實際看起來慢得多。但Chow和Skolnick的搖擺模擬在實驗室實驗中確定了擴散速率，并解釋了為什么它們如此之快。

已知轉錄因子沿DNA鏈滑動，如磁鐵沿著光滑的導線滑動，直到它們咔噠進入特定的凹槽，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。

“但滑動和跳躍的組合仍然不能解釋擴散的速度，”周說。

一跳之后重新連接實際上可以通過DNA將轉錄因子的速度放回到之前的鏈上。DNA叢林的模擬擺動使得抄錄者變得越來越遠，從而增加了它們的擴散速度。

艱巨的計算

這些模擬將有助于其他研究人員了解重要的細胞過程，并可能有助于提高生物和醫(yī)學研究的速度和準確性。模擬動力學背后的計算是艱巨的。

“這些模擬是這個問題所特有的，因為它們具有巨大的優(yōu)勢和先進的計算技術。非常高效的算法在功能強大的計算機上并行運行，而且，模擬完成需要三周時間，”Chow說。

并行計算將問題分成可以同時或并行運行的部分，而不是在一個漫長而耗時的過程中。這允許程序同時利用許多處理器，從而使計算速度倍增。

即使有了這種能力，為了使模擬可以計算，研究人員不得不縮小DNA和LacI的模型，以揭示運動動力學，而無需打扮細胞DNA的所有細節(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。“如果你把所有東西都放進去，即使使用最快的代碼也無法做到。”

蜂窩玩具土地

研究人員希望承擔更加嚴峻的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可能會在幾年后形成一個類似玩具的完整細胞模型。

“最終的目標是將整個細胞放在計算機上。讓它存活下來。讓它分裂，并理解這些過程，”斯科爾尼克說。“甚至可能讓細胞發(fā)生變異和進化。”

這背后的計算機科學將是有抱負的。“當問題的規(guī)模增大時，解決問題的計算成本會不成比例地增長，”周說。“即使擴大問題規(guī)模，你也必須構建能夠高效運行的算法。”