咆哮的DNA将抄写员赶到目标
想象一下，如果一个密集的灌木丛没有阻挡你的路径，而是把你捡起来穿过森林。这就是紧密堆积的DNA可能与重要的生命分子所做的事情，以便按时将它们送到需要的地方。根据乔治亚理工学院研究人员的一项研究，DNA作为转运渠道的新模拟可能会破坏科学家们对大型分子如何称为转录因子在进行遗传任务的过程中扩散的方式的破坏。模拟为我们对细胞难以捉摸的内在力学的图片添加了重要的笔触。
模拟强烈支持这样的假设：在活细胞中，DNA不断运动，使其成为转录因子的主要推动者，进入DNA的靶位点。在那里，这些因素将遗传密码转录为维持生命的行为。
DNA大猩猩笼
转录因子如何通过DNA传播一直是个谜，因为蛋白质分子如此之大，而且天然DNA紧密缠绕。绕组内的空间通常比需要通过它们的转录因子小得多。
“如果灌木丛如此厚实，而且它不会移动，那么它应该是不可穿透的。那么，你如何把东西送到正确的地方?” 佐治亚理工学院生物科学学院教授杰弗里斯科尔尼克问道。
如果DNA确实是不动的，那么蛋白质分子就会像大猩猩一样陷入DNA丛中，进入狗笼。
DNA手表弹簧
但Skolnick和合作者Edmond Chow是一位专注于处理非常大的科学问题的算法的计算机科学家，他相信人们普遍认为天然存在的DNA像棒一样僵硬是错误的。他们的模拟将杆变成了电线，像手表弹簧一样紧张，以蛇形动作弯曲和拨浪鼓。斯科尔尼克说：“DNA运动远远超过了通过其丛林移动分子的主导力量。” “DNA是一个恶霸。”
指导乔治亚理工学院系统生物学研究中心的斯科尔尼克和乔治亚理工学院计算科学与工程学院副教授周先生于6月6日在生物物理学杂志上发表了一篇关于他们模拟的论文。
Chow和Skolnick模拟了一种名为LacI的转录因子，该转录因子通过大肠杆菌细菌细胞的DNA移动。LacI是一种依赖于乳糖的抑制性分子，但该功能在该研究中没有发挥作用。众所周知的转录因子是许多关于转录因子运动的实验研究的支柱。
滑动，跳跃和跳房子
在模拟中，DNA链弯曲出LacI的路径，并将大分子向前推进到灌木丛中的下一个口袋中，依此类推。
基于刚性DNA的假设会使转录因子的移动速度比实际看起来慢得多。但Chow和Skolnick的摇摆模拟在实验室实验中确定了扩散速率，并解释了为什么它们如此之快。
已知转录因子沿DNA链滑动，如磁铁沿着光滑的导线滑动，直到它们咔哒进入特定的凹槽，在那里它们完美地配合，这是他们工作的地方。并且他们已经知道跳下DNA链然后重新连接。
“但滑动和跳跃的组合仍然不能解释扩散的速度，”周说。
一跳之后重新连接实际上可以通过DNA将转录因子的速度放回到之前的链上。DNA丛林的模拟摆动使得抄录者变得越来越远，从而增加了它们的扩散速度。
艰巨的计算
这些模拟将有助于其他研究人员了解重要的细胞过程，并可能有助于提高生物和医学研究的速度和准确性。模拟动力学背后的计算是艰巨的。
“这些模拟是这个问题所特有的，因为它们具有巨大的优势和先进的计算技术。非常高效的算法在功能强大的计算机上并行运行，而且，模拟完成需要三周时间，”Chow说。
并行计算将问题分成可以同时或并行运行的部分，而不是在一个漫长而耗时的过程中。这允许程序同时利用许多处理器，从而使计算速度倍增。
即使有了这种能力，为了使模拟可以计算，研究人员不得不缩小DNA和LacI的模型，以揭示运动动力学，而无需打扮细胞DNA的所有细节。“你必须选择你忽略的部分和你放入的部分，”斯科尔尼克说。“如果你把所有东西都放进去，即使使用最快的代码也无法做到。”
蜂窝玩具土地
研究人员希望承担更加严峻的挑战，这些挑战可能会在几年后形成一个类似玩具的完整细胞模型。
“最终的目标是将整个细胞放在计算机上。让它存活下来。让它分裂，并理解这些过程，”斯科尔尼克说。“甚至可能让细胞发生变异和进化。”
这背后的计算机科学将是有抱负的。“当问题的规模增大时，解决问题的计算成本会不成比例地增长，”周说。“即使扩大问题规模，你也必须构建能够高效运行的算法。”
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