Суперкомпьютер раскрывает секреты клеток растений для создания более устойчивых культур
Ученые из Университетов Мельбурна и Квинсленда и IBM Research приблизились к определению наноструктуры целлюлозы — основного структурного компонента клеточных стенок растений, который обеспечивает клетчатку в нашем рационе.
Эти открытия могут проложить путь к созданию более устойчивых к болезням сортов сельскохозяйственных культур и повысить устойчивость целлюлозно-бумажной и волокнистой промышленности — одного из основных потребителей целлюлозы.
Используя вычислительную мощность суперкомпьютеров IBM, исследователи смогли смоделировать структуру и динамику целлюлозы на молекулярном уровне.
Доктор Моника Доблин отметила, что синтез целлюлозы еще не до конца изучен. Работать с ним in vitro сложно, так как при разрушении растительных клеток теряется большая часть ферментативной активности.
Благодаря экспертизе IBM в области молекулярного моделирования и вычислительным мощностям VLSCI удалось создать модели растительной стенки на молекулярном уровне.
Работа, описанная в недавней научной статье в Plant Physiology, представляет собой значительный шаг к пониманию биосинтеза целлюлозы и того, как собираются и функционируют клеточные стенки растений.
Исследование является частью долгосрочной программы в Victorian Life Sciences Computation Initiative (VLSCI) по разработке 3D-компьютерной модели всей растительной стенки.
Целлюлоза — одно из самых распространенных органических соединений на Земле: растения производят около 180 миллиардов тонн ежегодно.
Растение создает целлюлозу, связывая простые звенья глюкозы в цепи, которые затем объединяются в волокна. Эти волокна оборачиваются вокруг клетки как основной компонент клеточной стенки, обеспечивая жесткость, гибкость и защиту от стрессов.
До сих пор ученые сталкивались со сложностями в детализации структуры клеточных стенок из-за сложности работы и инвазивности традиционных физических методов, которые часто повреждают клетки.
Доктор Джон Вагнер назвал это «пионерским проектом». В рамках крупномасштабного сотрудничества используются экспертиза IBM в вычислительной биологии, больших данных и «умном» сельском хозяйстве.
С помощью суперкомпьютера IBM Blue Gene/Q Avoca в VLSCI ученые смогли выполнить квадриллионы вычислений, необходимых для моделирования движений атомов целлюлозы.
Исследование показывает, что в структуре целлюлозы в элементарном микрофибрилле присутствует от 18 до 24 цепей, что значительно меньше, чем предполагавшиеся ранее 36 цепей.
Доктор Даниэль Оме отметил, что растительные стенки — первый барьер для патогенов. Ученые исследуют способы изменения состава стенки, чтобы сделать ее более устойчивой к болезням.