Наука и медицина
Сегодня
Политика
Происшествия
Люди
Экономика
Следствие
Бизнес
Культура
Наука и медицина
Зарубежка
О проекте
Редакция
Контакты
Размещение рекламы
Использование материалов
Поддержать проект
Вопрос-Ответ
Financial Assets
Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77 – 65733 выдано Роскомнадзором 20.05.2016.
В России признаны экстремистскими и запрещены организации «Национал-большевистская партия», «Свидетели Иеговы», «Армия воли народа», «Русский общенациональный союз», «Движение против нелегальной иммиграции», «Правый сектор», УНА-УНСО, УПА, «Тризуб им. Степана Бандеры», «Мизантропик дивижн», «Меджлис крымскотатарского народа», движение «Артподготовка», общероссийская политическая партия «Воля». Признаны террористическими и запрещены: «Движение Талибан», «Имарат Кавказ», «Исламское государство» (ИГ, ИГИЛ), Джебхад-ан-Нусра, «АУМ Синрике», «Братья-мусульмане», «Аль-Каида в странах исламского Магриба», Общественное движение «Штабы Навального».
НКО, выполняющие функции иностранного агента: Некоммерческая организация «Фонд по борьбе с коррупцией», Межрегиональный профессиональный союз работников здравоохранения "Альянс врачей", Автономная некоммерческая организация «Центр по работе с проблемой насилия «НАСИЛИЮ.НЕТ», Программно-целевой Благотворительный Фонд "СВЕЧА", Красноярская региональная общественная организация "Мы против СПИДа", Некоммерческая организация "Фонд защиты прав граждан", Автономная некоммерческая организация социально-правовых услуг "Акцент", Межрегиональная общественная организация реализации социально-просветительских инициатив и образовательных проектов "Открытый Петербург", Санкт-Петербургский благотворительный фонд "Гуманитарное действие", Социально-ориентированная автономная некоммерческая организация содействия профилактике и охране здоровья граждан "Феникс ПЛЮС", Фонд содействия правовому просвещению населения "Лига Избирателей", Некоммерческая Организация Фонд "Правовая инициатива", Некоммерческая организация Фонд "Общественный фонд социального развития "Генезис", Автономная некоммерческая организация информационных и правовых услуг "Гражданская инициатива против экологической преступности", Некоммерческая организация "Фонд борьбы с коррупцией", Пензенский региональный общественный благотворительный фонд "Гражданский Союз", Ингушское республиканское отделение общероссийской общественной организации "Российский Красный Крест", Общественная организация "Саратовский областной еврейский благотворительный Центр "Хасдей Ерушалаим" (Милосердие), Частное учреждение "Центр поддержки и содействия развитию средств массовой информации", Региональная общественная организация содействия соблюдению прав человека "Горячая Линия", Фонд "В защиту прав заключенных", Автономная некоммерческая организация "Институт глобализации и социальных движений", Автономная некоммерческая организация противодействия эпидемии вич/спида и охраны здоровья социально-уязвимых групп населения "Центр социально-информационных инициатив Действие", Челябинское региональное диабетическое общественное движение "ВМЕСТЕ", Благотворительный фонд охраны здоровья и защиты прав граждан, Благотворительный фонд помощи осужденным и их семьям, Городской благотворительный фонд "Фонд Тольятти", Свердловский региональный общественный фонд социальных проектов "Новое время", Фонд содействия устойчивому развитию "Серебряная тайга", Фонд содействия развитию массовых коммуникаций и правовому просвещению "Так-Так-Так", Региональная общественная организация содействия просвещению граждан "Информационно-аналитический центр "Сова", Региональная общественная организация помощи женщинам и детям, находящимся в кризисной ситуации "Информационно-методический центр" Анна", Автономная некоммерческая организация социальной поддержки населения "Проект Апрель", Региональный благотворительный фонд "Самарская губерния", Свердловский областной общественный фонд "Эра здоровья", Международная общественная организация "Международное историко-просветительское, благотворительное и правозащитное общество "Мемориал", Автономная Некоммерческая Организация "Аналитический Центр Юрия Левады", Автономная некоммерческая организация "Издательство "Парк Гагарина", Фонд содействия защите здоровья и социальной справедливости имени Андрея Рылькова, Благотворительный фонд социально-правовой помощи "Сфера", Челябинский региональный орган общественной самодеятельности "Уральская правозащитная группа", Челябинский региональный орган общественной самодеятельности - женское общественное объединение "Женщины Евразии", Омская региональная общественная организация "Центр охраны здоровья и социальной защиты "СИБАЛЬТ", Городская общественная организация "Рязанское историко-просветительское и правозащитное общество "Мемориал" (Рязанский Мемориал), Городская общественная организация "Екатеринбургское общество "МЕМОРИАЛ", Автономная некоммерческая организация "Институт прав человека", Некоммерческая организация "Фонд защиты гласности", Региональное общественное учреждение научно-информационный центр "МЕМОРИАЛ", Союз общественных объединений "Российский исследовательский центр по правам человека", Автономная некоммерческая организация "Дальневосточный центр развития гражданских инициатив и социального партнерства", Общественная организация "Пермский региональный правозащитный центр", Фонд "Гражданское действие", Межрегиональный общественный фонд содействия развитию гражданского общества "ГОЛОС-Урал", Автономная некоммерческая организация "Центр независимых социологических исследований", Негосударственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования (повышение квалификации) специалистов "АКАДЕМИЯ ПО ПРАВАМ ЧЕЛОВЕКА", Свердловская региональная общественная организация "Сутяжник", Межрегиональная благотворительная общественная организация "Центр развития некоммерческих организаций", "Частное учреждение в Калининграде по административной поддержке реализации программ и проектов Совета Министров северных стран", Региональная общественная благотворительная организация помощи беженцам и мигрантам "Гражданское содействие", Автономная некоммерческая организация "Центр антикоррупционных исследований и инициатив "Трансперенси Интернешнл-Р", Региональный Фонд "Центр Защиты Прав Средств Массовой Информации", Некоммерческое партнерство "Институт развития прессы - Сибирь", "Частное учреждение в Санкт-Петербурге по административной поддержке реализации программ и проектов Совета Министров Северных Стран", Межрегиональная общественная организация Информационно-просветительский центр "Мемориал", Межрегиональная общественная правозащитная организация "Человек и Закон", Фонд поддержки свободы прессы, Санкт-Петербургская общественная правозащитная организация "Гражданский контроль", Калининградская региональная общественная организация "Правозащитный центр", Региональная общественная организация "Общественная комиссия по сохранению наследия академика Сахарова", Некоммерческое партнерство "Институт региональной прессы", Частное учреждение "Информационное агентство МЕМО. РУ", Фонд "Институт Развития Свободы Информации", Калининградская региональная общественная организация "Экозащита!-Женсовет", Фонд содействия защите прав и свобод граждан "Общественный вердикт", Межрегиональная общественная организация Правозащитный Центр "Мемориал", Евразийская антимонопольная ассоциация.
Иностранные СМИ, выполняющие функции иностранного агента: "Голос Америки", "Idel.Реалии", Кавказ.Реалии, Крым.Реалии, Телеканал Настоящее Время, Татаро-башкирская служба Радио Свобода (Azatliq Radiosi), Радио Свободная Европа/Радио Свобода (PCE/PC), "Сибирь.Реалии", "Фактограф", "Север.Реалии", Общество с ограниченной ответственностью "Радио Свободная Европа/Радио Свобода", Чешское информационное агентство "MEDIUM-ORIENT", Пономарев Лев Александрович, Савицкая Людмила Алексеевна, Маркелов Сергей Евгеньевич, Камалягин Денис Николаевич, Апахончич Дарья Александровна, Юридическое лицо, зарегистрированное в Латвийской Республике, SIA «Medusa Project» (регистрационный номер 40103797863, дата регистрации 10.06.2014), Общество с ограниченной ответственностью «Первое антикоррупционное СМИ», Юридическое лицо, зарегистрированное в Королевстве Нидерландов, Stichting 2 Oktober (регистрационный номер № 69126968), являющееся администратором доменного имени интернет-ресурса «VTimes.io».
Лента новостей
Лента новостей
Новости – Наука и медицина
Русская планета

Суперкомпьютер помог учёным разобраться с дыханием и скольжением ДНК

Фото:
Динамические модели нуклеосом смоделированные методом молекулярной динамики на суперкомпьютере Ломоносов-2. Фото: МГУ
Специалисты смоделировали движение ДНК в геноме на атомном уровне
Дмитрий Степнов
22 апреля, 2021 19:24
7 мин

Сотрудники биологического и физического факультетов МГУ с помощью расчётов на суперкомпьютере «Ломоносов-2» смоделировали движение ДНК в геноме на атомном уровне и выявили новые механизмы включения и выключения генов.

Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Communications.

Среди авторов работы декан биологического факультета МГУ, академик РАН Михаил Кирпичников и студенты биофака.

Каждая клетка нашего организма содержит идентичную генетическую информацию. Информация эта закодирована в виде химического шифра из нуклеотидов в генах на молекуле ДНК. Одна молекула ДНК — это нить, длиной примерно в человеческий рост. При этом внутри клетки эта длинная нить упакована в специальный контейнер — ядро — диаметром в десятую часть толщины волоса.

Упаковать длинную молекулу ДНК в компактное ядро помогают специальные белки гистоны, на которые ДНК специальным образом накручивается, словно нитка на катушку. Только на одну молекулу ДНК приходится множество гистонов, поэтому упакованная ДНК — хроматин — выглядит как череда соединенных катушек. Каждая отдельная единица хроматина, та самая катушка с намотанным на неё фрагментом ДНК, называется нуклеосомой.

Хроматин не только позволяет компактно упаковать ДНК, он ещё и определяет судьбу клеток. Что у нейронов, что у эпителиальных клеток, что у любой другой клетки организма набор генов одинаковый, а в какую именно превратится стволовая клетка зависит от того набора генов, что включится в ней. За включение и выключение генов отвечает огромное разнообразие механизмов, изучением которых занимается наука эпигенетика (греч. ἐπί — над-).

«Человеческий геном прочитан и расшифрован уже довольно давно, нам известны все 3 миллиарда букв-нуклеотидов, слагающие его. Только сравните: 3 миллиарда букв — это как 16 тысяч томов «Войны и мира». Редкий человек столько за жизнь читывал, а учёные вот прочитали, да ещё и в зашифрованном виде, — рассказывает один из авторов статьи, декан биологического факультета МГУ академик РАН Михаил Кирпичников. — Но нам до сих пор непонятно, как этот текст из нуклеотидов читают молекулярные механизмы. Разобраться в логике их чтения — задача переднего края современной биологии. И в МГУ мы задействуем весь арсенал современнейших вычислительных методов, молекулярное моделирование, машинное обучение и искусственный интеллект, а также передовые лабораторные методы, чтобы с этой задачей справиться».

Главный автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ Алексей Шайтан поясняет:

«Каждая живая клетка постоянно решает, какие именно генетические инструкции ей читать в данный момент. Этот выбор происходит на молекулярном уровне в результате сложных взаимодействий между молекулами. Насколько легко прочитать тот или иной ген определяется физическими законами, взаимодействиями атомов молекулы ДНК с атомами связанных с ней белков».

«Считывание генетической информации в ДНК подобно воспроизведению музыки с аудиокассеты. Чтобы воспроизвести звук, необходимо проигрывающее устройство, механизм прокручивания пленки между катушками и усилители. В живых системах для считывания информации с ДНК существуют молекулярные аналоги этих устройств, и все они “над ДНК”, то есть эпигенетические, — рассказывает соавтор статьи Анастасия Князева, студент кафедры биоинженерии биофака МГУ. — Молекула ДНК тоже натягивается и прокручивается между катушек-нуклеосом, эти процессы мы называем дыханием и скольжением».

Как именно происходят движения ДНК в нуклеосоме, до последнего времени оставалось неясным. Чтобы разобраться с этим, учёные смоделировали на суперкомпьютере «Ломоносов-2» молекулярную динамику нуклеосом на атомном уровне на рекордно длинных для компьютерного моделирования временах — 15 микросекунд. То есть суперкомпьютер выступил этаким вычислительным микроскопом, что позволил рассмотреть механизмы движения ДНК в геноме.

В полученной модели учёные наблюдали, как ДНК откручивается от нуклеосомы и фиксировали происходящие при этом деформации ДНК, позволяющие молекуле скользить вдоль белкового ядра.

«Двойная спираль ДНК подобна винту. Предполагается, что она может одновременно скользить и прокручиваться вдоль поверхности белка. Нам удалось показать, что благодаря локальным деформациям ДНК и белков гистонов, этот процесс происходит поэтапно. Сначала прокручивается одна часть ДНК, а затем следующая: своего рода гусенично-винтовой механизм», — объясняет Алексей Шайтан.

Ученые также охарактеризовали детали процесса отворачивания ДНК и обнаружили белковую «застежку», которая удерживает ДНК в закрученном состоянии и ловит открученную ДНК. Одна из частей работы посвящена предсказанию формы и длины нитей хроматина, формируемых нуклеосомами в разных отвернутых состояниях.

Исследование вносит и важный вклад в расшифровку механизмов функционирования генома.

«Методами мультимасштабного моделирования нам удалось показать, что дыхание ДНК в нуклеосомах может значительным образом влиять на структуру хроматина», — говорит старший научный сотрудник биологического факультета МГУ Григорий Армеев.

В работе использовались суперкомпьютерные расчеты систем размером в несколько сотен тысяч атомов. Алгоритм программы должен был совершить около 10 миллиардов шагов. Моделирование каждой системы заняло около 250 дней непрерывного расчета. Подобные расчеты стали возможными, в частности, благодаря быстрому развитию технологий параллельных и массивно параллельных суперкомпьютерных расчетов с использованием графических процессоров.

«Адаптация вычислительных алгоритмов для расчетов на графических процессорах и продолжающийся рост вычислительной мощности суперкомпьютерных систем открывают качественно новые возможности для исследований в области молекулярного моделирования, — поясняет директор Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ, член корреспондент РАН, Владимир Воеводин. — Наши оценки производительности расчетов, проведенные совместно с сотрудниками биологического факультета МГУ, показывают, что скорость вычислений в расчете на один узел суперкомпьютера Ломоносов-2 возросла в пять раз за время последней модернизации, и процесс развития суперкомпьютерного комплекса МГУ необходимо продолжать и далее».

Поделиться
поддержать проект
Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе
Маленькая чашка кофе
cup
200 ₽
Средняя чашка кофе
cup
300 ₽
Большая чашка кофе
cup
500 ₽
Большая чашка кофе и что-то вкусное
cup
900 ₽
Нажимая на кнопку «Поддержать», я принимаю пользовательское соглашение, политику конфиденциальности и подтверждаю свое гражданство РФ
Кто может поддержать проект?
Поддержать проект могут только граждане России. Поддержка осуществляется только в рублях. В соответствии с требованием закона.
7 мин
Лень сёрфить новости? Подпишись и БУДЬ В КУРСЕ