Исследователи из Института молекулярной медицины MRC Weatherall (MRC WIMM) разработали технологию, которая позволяет ученым исследовать сложную трехмерную структуру ДНК в виртуальной реальности. В недавно опубликованном препринте команда описывает свой инструмент, который теперь находится в свободном доступе для всех.
Выработка последовательности, составляющей генетический код , теперь является обычной практикой в медицинских исследованиях , но эта последовательность — не вся история; гены также включаются и выключаются физическим взаимодействием между определенными частями ДНК.
Рассмотрим хромосому 1, только одну из 23 парных хромосом, которые у нас есть: сложно сложенная цепь из 250 000 000 нуклеотидов, содержащая 4220 генов, которые физически взаимодействуют друг с другом в трех измерениях.
Молекулярное происхождение этих взаимодействий должно быть очень точным, и ошибки могут буквально быть различием между жизнью и смертью. Считается, что изменения в свертывании ДНК связаны с целым рядом заболеваний, включая рак.
Все 22 000 генов, которые мы несем, содержатся в пределах 2 метров от ДНК, которая аналогичным образом упакована в сложные складки и воронки в ядрах каждой из 37 триллионов клеток организма.
Визуализация в 3D
Разработка двумерных последовательностей нуклеотидов, которые составляют генетический код в нашей ДНК, имеет решающее значение для понимания того, как работают гены, но понимание физических взаимодействий между складками ДНК требует прыжка в новое измерение.
Сюда приходят Стивен Тейлор и Джим Хьюз из Центра вычислительной биологии при MRC WIMM. Они делятся своим опытом в области вычислительной биологии и генной регуляции вместе со специалистами по компьютерной графике в реальном времени и взаимодействию человека с машиной в Goldsmiths, University of University Лондон, для производства CSynth. CSynth — это интерактивный инструмент, который позволяет ученым визуализировать всю хромосому ДНК в трехмерном виде и отслеживать точки физического взаимодействия.
В отличие от сопоставимых инструментов, CSynth сочетает интерактивное моделирование с возможностью связать то, что они видят в своей трехмерной модели, с информацией о последовательности ДНК, свободно доступной в Интернете. Пользователи могут динамически изменять параметры и сравнивать модели, чтобы увидеть, как это может повлиять на гены и другие элементы в ДНК, такие как переключатели, которые включают и выключают гены . Дополнительной особенностью CSynth является то, что он сочетает в себе свою современную вычислительную модель с виртуальной реальностью. Это означает, что исследователи могут фактически проникнуть внутрь структуры ДНК и исследовать и манипулировать молекулами ДНК по-новому.
Возможность действительно визуализировать ДНК также делает CSynth отличным инструментом обучения и взаимодействия с общественностью, особенно в сочетании с виртуальной реальностью. Тысячи людей познакомились с CSynth на Летней выставке Королевского общества, на Фестивале науки в Челтнеме и во многих школах и институтах.
Оксфордская команда уже сотрудничала с другими исследователями в MRC WIMM, чтобы изучить, как ДНК, кодирующая часть комплекса гемоглобина (молекула, которая транспортирует кислород в эритроцитах), складывается в 3-D, и как складывание изменяется в разных типы клеток.
Новым является то, что программное обеспечение свободно доступно для всех, кто имеет доступ к веб-браузеру . Теперь любой ученый может загрузить свои собственные данные для моделирования и исследования. Он не требует установки программного обеспечения и очень быстро запускается. Исследователи надеются, что этот общедоступный веб-интерфейс сделает CSynth полезным для образования и обучения, и что исследователи смогут поделиться своими моделями в Интернете.
Но, пожалуй, самое главное, CSynth поможет ученым в Оксфорде и за его пределами определить потенциальные структуры и генетические элементы, связанные с болезнью, и понять влияние структуры ДНК на функцию.
