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。
根据佐治亚理工学院研究人员的一项研究,DNA作为传输管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。模拟为我们难以捉摸的细胞内部力学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上的靶位点。在那里,这些因素将遗传密码转录为生命维持行为。
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。
“如果灌木丛很厚,而且它不会移动,那么它应该是不可穿透的。所以,你怎么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确实是固定不动的,那么蛋白质分子就会像大猩猩一样卡在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自然发生的DNA像条形一样僵硬是假的。他们的模拟将杆变成了电线,像手表弹簧一样紧张,用蛇形动作弯曲和嘎嘎作响。
斯科尔尼克说:“DNA运动远远超过了驱动分子通过其灌木丛的主导力量。”“DNA是一个恶霸。”
指导佐治亚理工学院系统生物学研究中心的斯科尔尼克和佐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链从LacI的路径中弯曲,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的摇摆模拟与实验室实验中建立的扩散速率相符,并解释了为什么它们如此之快。
已知转录因子沿着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。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不能解释扩散的速度,”周说。
跳跃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丛林的模拟摆动使抄录者更加猛烈地跳跃,增加了他们的扩散速度。
艰巨的计算
这些模拟将有助于其他研究人员对重要细胞过程的理解,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的独特之处,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艰难的挑战,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。
“最终目标是将一个完整的单元放在计算机上。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。“即使在扩大问题规模时,你也必须构建能够高效运行的算法。”
推荐内容
-
皮肤细胞如何保护自己免受压力
皮肤是我们最大的器官,除此之外,它还可以防止机械冲击。为了确保这种保护,皮肤细胞必须特别紧密地相互连接。究竟如何在分子水平上提...
-
首领亲启!一份来自《部落冲突》的圣诞礼物
神秘的笛声从《部落冲突》的世界里飘来,全新大本营的升级也随着音乐慢慢开始。一股神秘的冷空气从屏幕中钻出悄悄降临现世。温度骤降,...
-
细胞中新发现的信号将蛋白质通路设定为线粒体
线粒体通常被描述为人类,植物和动物细胞中的强者; 但他们也履行了许多其他重要职能。细胞内的这些器官有一个有趣的过去:它们在十亿多年
-
复星医药产业与肉毒素企业Revance签署许可协议
12月5日,上海复星医药(集团)股份有限公司(以下简称复星医药,股票代码:600196 SH,02196 HK)发布公告称,控股子公司上海复星医药产业发展
-
发现调节细胞强大的关键
衰老,神经退行性疾病和代谢疾病都与线粒体有关,线粒体是我们细胞内产生化学能并维持自身DNA的结构。加州大学戴维斯分校的科学家们在一项
-
李双双美容25周年荣耀感恩盛典暨典雅女神之夜火爆全城
2019年1月6号,无惧岁月·美丽永恒,李双双美容25周年荣耀感恩盛典暨典雅女神之夜主题客户答谢会在郑州万达文华(五星级)酒店圆满召开!庆典
-
同步波控制胚胎图案
在胚胎从单个细胞到复杂生物体的过程中,无数的模式化过程确保正确的细胞在恰当的位置和正确的时间发育。细胞在这种早期发育期间以节律...
-
根据单细胞分子研究进行生物学教育
随机过程通常以随机的方式呈现,即不可预测的事件。这种框架模糊了这样一个现实,即随机过程虽然在个别事件层面上或多或少是不可预测的...
-
低温激活细胞水平的好脂肪形成
英国诺丁汉大学的一项新研究表明,在脂肪形成的早期阶段,体内脂肪的生成过程并未像人们先前认为的那样预先编程,甚至在成年细胞中,环...
-
vivo智慧旗舰店即将落户8城 全面升级带来极致体验
2018年即将收官,vivo将在最后一天为大家带来年末惊喜。12月26日,vivo官方宣布9家全新形象的vivo智慧旗舰店将于12月30日同步开业。此次