Суперкомпьютеры помогают раскрыть секреты восстановления ДНК
Исследователи используют мощь самых передовых суперкомпьютеров мира для моделирования работы клеточных механизмов. Эти механизмы отвечают за восстановление ДНК и помогают предотвращать опасные для жизни заболевания. Солнечные ожоги и преждевременное старение – известные последствия воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения, табачного дыма и других канцерогенов. Однако вред наносится не только внешне – внутри организма эти факторы повреждают ДНК клеток.
Повреждение ДНК и механизм репарации
Повреждения ДНК могут нарушать нормальное функционирование клеток. Это может привести к мутациям, которые вызывают рак и другие болезни. К счастью, клетки обладают сложными системами для исправления этих повреждений. Одним из важнейших таких механизмов является нуклеотидная эксцизионная репарация (NER). Этот процесс находит и удаляет поврежденные участки ДНК, после чего заменяет их правильными нуклеотидами.
Ученые из Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США сосредоточились на изучении NER у бактерий. Они использовали суперкомпьютеры для моделирования ключевых белков, участвующих в этом процессе: UvrA, UvrB и UvrC.
UvrA – это белок-«разведчик». Он сканирует ДНК в поисках поврежденных участков. Обнаружив проблему, он привлекает к работе белок UvrB.
UvrB действует как «верификатор». Он проверяет, действительно ли участок ДНК поврежден. Если да, то UvrB раскручивает двойную спираль ДНК вокруг повреждения, создавая так называемый «репарационный пузырь». Это подготавливает участок к удалению.
UvrC – это «молекулярные ножницы». Этот белок разрезает поврежденный участок ДНК с обеих сторон, позволяя затем удалить его.
Роль суперкомпьютеров в исследовании
Моделирование этих процессов требует огромной вычислительной мощности. Системы, включающие белки и фрагменты ДНК, состоят из миллионов атомов. Отслеживание их движений и взаимодействий в динамике – сложнейшая задача.
Исследователи использовали суперкомпьютер Frontera в Техасском центре передовых вычислений и суперкомпьютер Summit в ORNL. Эти машины позволили провести симуляции молекулярной динамики, раскрывающие детали работы белков UvrA, UvrB и UvrC на атомарном уровне.
«С помощью этих симуляций мы можем наблюдать за каждым атомом в системе», – объясняет Роландо Ролдан, один из исследователей. «Это дает понимание того, как эти белки движутся и взаимодействуют для выполнения своих функций».
Ключевые открытия
Симуляции помогли выявить несколько важных моментов:
1. Механизм поиска UvrA: Моделирование показало, как UvrA «скользит» по ДНК и как он распознает различные типы повреждений.
2. Активация UvrB: Исследователи увидели, как взаимодействие с UvrA заставляет UvrB изменять свою форму и захватывать ДНК для проверки. Затем UvrB активно раскручивает спираль ДНК.
3. Координация UvrB и UvrC: Стало понятнее, как UvrB подготавливает ДНК для UvrC, и как UvrC точно разрезает поврежденный сегмент.
Значение для медицины
Хотя исследование проводилось на бактериальных белках, механизм NER у людей работает схожим образом. Понимание этого процесса имеет огромное значение. Нарушения в системе восстановления ДНК у человека связаны с повышенным риском развития рака, ускоренным старением и другими заболеваниями.
Кроме того, бактерии используют NER для противостояния некоторым антибиотикам. Изучение этого механизма может помочь в разработке новых стратегий борьбы с устойчивостью к антибиотикам.
В итоге, использование суперкомпьютеров открывает новые горизонты в понимании фундаментальных клеточных процессов. Результаты этого исследования могут привести к разработке новых методов лечения рака и инфекционных заболеваний в будущем, улучшая подходы к задаче восстановления ДНК и связанных с ней проблем.