Bilgisayar simülasyonları, malzeme bilim adamlarının ve biyokimyacıların makromoleküllerin hareketini incelemelerine, yeni ilaçların ve sürdürülebilir malzemelerin gelişimini ilerletmelerine yardımcı olur. Bununla birlikte, bu simülasyonlar en güçlü süper bilgisayarlar için bile bir zorluk oluşturmaktadır.
Oregon Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi, proteinler, nükleik asitler ve plastik gibi sentetik malzemeler gibi büyük moleküllerin hareketini ve davranışını incelemek için kullanılan basitleştirilmiş bilgisayar modellerinin doğruluğunu önemli ölçüde artıran yeni bir matematik denklemi geliştirmiştir.
Geçen ay yayınlanan atılım Fiziksel İnceleme Mektupları, Araştırmacıların DNA replikasyonu gibi karmaşık biyolojik süreçlerde büyük moleküllerin hareketini araştırabilme yeteneğini geliştirir. Bu tür çoğaltmadaki hatalarla bağlantılı hastalıkların anlaşılmasına yardımcı olabilir, bu da potansiyel olarak yeni teşhis ve terapötik stratejilere yol açar.
Yeni modeli geliştirmek için teorik fiziksel kimya profesörü Marina Guenza ile çalışan bir fizik doktora adayı Jesse Hall, “Moleküllerin nasıl hareket ettiğini, bükülmesini ve işlevini nasıl anlamak istiyoruz” dedi. “Bu yeni denklemle, daha büyük protein komplekslerini simüle edebilir ve bu moleküler makinelerin vücutta nasıl çalıştığı hakkında daha derin bir fikir kazanabiliriz.”
Hall’un araştırması, hesaplamalı bilim adamlarının 50 yıldan fazla bir süredir üzerinde çalıştıkları bir sorun üzerinde ilerleme kaydetti: kaotik, viskoz ortamlarında sürtünme biyomolekül deneyiminin nasıl doğru bir şekilde hesaplanacağı.
Biyomoleküller – proteinler gibi canlı bir organizma tarafından üretilen moleküller – diğer proteinler, nükleik asitler ve diğer molekül türleriyle birlikte binlerce su molekülü ile çevrilidir. Bu ortamda sürekli hareket halindedirler; Nükleik asitlere ve diğer proteinlere katlanır, açılır ve bağlanırlar.
Hall, “Orada etrafta dolaşıyorlar ve yaptıklarının mekaniği, DNA replikasyonunun nasıl çalıştığını anlamak veya belirli bir mekanizmayı hedeflemek için ilaç geliştirmek için çok önemli.” Dedi.
Bilim adamları, fiziksel örnekleri incelemek için sentezlemek yerine, bilgisayar modellerini sanal bir laboratuvar olarak kullanıyorlar. Bu, kodlarını değiştirerek analiz ettikleri molekülleri değiştirmelerini sağlar, böylece değişimin etkilerini inceleyebilirler.
Çalışmanın ortak yazarı olan Guenza, “İyi, kaba taneli bir modeliniz olduğunda, büyük sistemleri simüle edebilirsiniz.” Dedi. “Örneğin, moleküllerin nasıl hareket ettiğini, yeniden düzenlediğini, birleştirdiğini ve işlevini bir makine olarak nasıl görülebilir. Bir amino asidi değiştirebilir ve mutasyonun moleküllerin biyolojik fonksiyonlarını gerçekleştirme şeklini nasıl etkilediğini görebilirsiniz.”
Biyomoleküler sistemler çok büyük ve karmaşık olduğundan, araştırmacılar, her bir atomu tasvir etmek zorunda kalmadan moleküler hareketleri simüle eden kaba taneli matematiksel modellere güvenmektedir. Bu, hesaplamayı hızlandırırken hesaplama maliyetlerini düşük tutmaya yardımcı olur.
Ancak bilim adamları onlarca yıldır kaba taneli simülasyonlar çalıştırırken kullanılan verilerin bir parçası olan sürtünme değerini doğru bir şekilde hesaplamak için mücadele ettiler.
Moleküller sıvıdan geçtikçe, sonuçta ortaya çıkan sürtünme, hem iç dalgalanmalarını hem de dış hareketlerini etkileyen bir sürükleme etkisi yaratır.
Guenza, “Bir proteinin nasıl hareket ettiğini tanımlamak için farklı kuvvetleri dengelemeniz gerekir: viskoz kuvvetler, çevre moleküllerle çarpışmadan rastgele kuvvetler ve molekülü bir arada tutan iç kuvvetler.” Dedi.
Diğer araştırmacılar, “Einstein ilişkisi” olarak bilinen bir formülden başlayarak, bir parçacığın difüzyonu veya ne kadar hızlı yayıldığı veya hareketliliği veya ne kadar kolay hareket edebileceğini belirleyen matematiksel çözümler tasarladılar. Ancak bu çözümlerin sınırları var.
Hall, “Bir proteinin hareketinin bir yönünü tanımlamak için çok iyi iş var, ancak bir proteinin hareketinin birkaç yönünü bir kerede tanımlayabilecek daha eksiksiz modellere ihtiyacımız var.” Dedi. “Temel olarak Einstein ilişkisinin çok daha genel bir formu bulduk, bu da çok daha fazla seçenek ve özgürlük sunuyor. Hesaplamalarımızı belirli bir sisteme esnek bir şekilde ayarlamamıza ve daha güvenilir sonuçlar almamıza izin veriyor.”
Guenza, Hall denkleminin hem bir molekülün iç dalgalanmaları hem de sıvı yoluyla dış difüzyonu için aynı anda sürtünmeyi tanımlayan ilk denklem olduğunu söyledi.
“Bu harika bir çözüm,” dedi. “Jesse’nin çalışması, hem basit hem de karmaşık moleküler sistemlere uygulanabilecek oldukça doğru bir araç sağlar ve bu büyük sistemlerin simülasyonlarını hem daha hızlı hem de daha doğru hale getirir.”
Uzun yıllar boyunca, Guenza Grubu, moleküler simülasyonları hızlandıran doğru teorik araçlar, yeni polimer bazlı malzemeler tasarlamak ve proteinlerin replikasyon sırasında DNA ile nasıl etkileşime girdiğini incelemek için gerekli araçlar geliştirmeye odaklanmıştır. DNA replikasyonundaki hatalar kanserin gelişiminde rol oynar ve çok çeşitli genetik bozukluklara yol açabilir.
Hall, “Gerçekten doğru, hassas matematiksel modeller elde etmek için daha fazla araç oluşturmamız gerektiğini fark ettik.” Dedi.
Araştırması öncelikle teorik olsa da, “daha sonra kullanabileceğimiz bazı pratik araçlara doğru inşa ediyoruz” dedi. “Umarım bu, başkalarının bana hiç gelmeyecek projeler üzerinde çalışmak için kullanabileceği bir araçtır.”
