Суперкомпьютеры помогают расшифровать трёхмерную структуру РНК для борьбы с болезнями
Исследователи из Национального института рака (NCI) используют суперкомпьютеры Национальной лаборатории Аргонн Министерства энергетики США (DOE) для углубления понимания РНК — биологических полимеров, играющих ключевую роль в здоровье и болезнях.
В сотрудничестве со специалистами Центра суперкомпьютерных вычислений в Аргонн (ALCF) учёные усовершенствовали метод точного расчёта трёхмерной структуры последовательностей РНК. Этот метод опирается на компьютерную программу RS3D и суперкомпьютер Mira (девятый по мощности в мире), что даёт исследователям структурное понимание РНК, связанных с раком и другими заболеваниями, для продвижения компьютерного дизайна лекарств.
РНК не только служит посредником для синтеза белка, но и играет многогранную роль в регуляции экспрессии генов. Чтобы получить полную картину, необходимо знать биологически активные формы РНК, которые отражаются в сложных 3D-структурах, в которые сворачиваются последовательности РНК.
«Мы уже знаем основные химические группы РНК и их состав, но мы не знаем, какие конформационные структуры они принимают», — говорит Вэй Цзян, исследователь из ALCF.
Экспериментально определить реальную функциональную 3D-структуру сложно из-за гибкости полимера РНК. Поэтому используются вычислительные симуляции, которые могут исследовать сотни или тысячи возможных конформационных состояний, чтобы найти наиболее вероятную 3D-структуру.
Программа RS3D была разработана командой NCI под руководством Юнь-Сина Вана и постдока Юбы Бхандари и оптимизирована исследователями ALCF для работы на Mira. Вэй Цзян сыграл ключевую роль в масштабировании кода RS3D для работы на большей части Mira, что значительно улучшило его производительность.
Входные данные для RS3D:
- Известная последовательность РНК
- Экспериментальные данные малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) — метода, дающего информацию о размере и форме частиц.
Выходные данные: низкоразрешенное 3D-изображение топологической структуры РНК, показывающее наиболее вероятные паттерны сворачивания.
«Понимание структурной основы создаёт фундамент для дальнейшего изучения молекулярных взаимодействий и биологических путей при различных заболеваниях», — отмечает Юба Бхандари.
Метод был валидирован путём расчёта 3D-структуры 18 РНК-полимеров с известной структурой, представляющих общие архитектуры сворачивания. Также с помощью RS3D и экспериментальных данных с синхротронного источника Advanced Photon Source в Аргонн была вычислена структура аденозинового рибопереключателя, регулирующего экспрессию генов.
Ключевое преимущество метода — он полностью автоматизирован и не требует ввода пользователем начального 3D-шаблона, что отличает его от других методов и помогает избежать ограничений или предвзятости.
Исследователи готовят к публикации описание своей методики; исходный код будет впоследствии доступен научному сообществу. Краткое изложение работы опубликовано в статье «Modeling RNA topological structures using small angle X-ray scattering» в журнале Methods.