Les chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos ont créé la plus grande simulation à ce jour d'un gène entier d'ADN, un exploit qui a nécessité un milliard d'atomes pour modéliser et qui aidera les chercheurs à mieux comprendre et développer des remèdes pour des maladies comme le cancer.

"Il est important de comprendre l'ADN à ce niveau de détail parce que nous voulons comprendre précisément comment les gènes s'allument et s'éteignent, " a déclaré Karissa Sanbonmatsu, un biologiste structural à Los Alamos. "Savoir comment cela se produit pourrait révéler les secrets du nombre de maladies qui se produisent."

La modélisation des gènes au niveau atomistique est la première étape vers la création d'une explication complète de la façon dont l'ADN se dilate et se contracte, qui contrôle la commutation marche/arrêt génétique.

Sanbonmatsu et son équipe ont exécuté la simulation révolutionnaire sur le supercalculateur Trinity de Los Alamos, le sixième plus rapide au monde. Les capacités de Trinity soutiennent principalement le programme de gestion des stocks de la National Nuclear Security Administration, qui assure la sécurité, Sécurité, et l'efficacité du stock nucléaire de la nation.

L'ADN est le modèle de tous les êtres vivants et contient les gènes qui codent les structures et l'activité du corps humain. Il y a assez d'ADN dans le corps humain pour faire le tour de la terre 2,5 millions de fois, ce qui signifie qu'il est compacté de manière très précise et organisée.

Le long, molécule d'ADN en forme de chaîne est enroulée dans un réseau de minuscules, bobines moléculaires. La façon dont ces bobines s'enroulent et se déroulent activent et désactivent les gènes. La recherche sur ce réseau de bobines est connue sous le nom d'épigénétique, un nouveau, domaine scientifique en plein essor qui étudie comment les corps se développent à l'intérieur de l'utérus et comment les maladies se forment.

Lorsque l'ADN est plus compacté, les gènes sont désactivés et lorsque l'ADN se développe, les gènes sont activés. Les chercheurs ne comprennent pas encore comment ni pourquoi cela se produit.

Alors que le modèle atomistique est la clé pour résoudre le mystère, simuler l'ADN à ce niveau n'est pas une tâche facile et nécessite une puissance de calcul massive.

"À l'heure actuelle, nous avons pu modéliser un gène entier à l'aide du supercalculateur Trinity de Los Alamos, " dit Anna Lappala, un physicien des polymères à Los Alamos. "À l'avenir, nous pourrons utiliser des supercalculateurs exascale, ce qui nous donnera une chance de modéliser le génome complet."

Les ordinateurs Exascale sont la prochaine génération de supercalculateurs et exécuteront des calculs beaucoup plus rapidement que les machines actuelles. Avec ce genre de puissance de calcul, les chercheurs pourront modéliser l'ensemble du génome humain, fournissant encore plus d'informations sur la façon dont les gènes s'allument et s'éteignent.

Dans la nouvelle étude publiée dans le Journal de chimie computationnelle 17 avril l'équipe de Los Alamos s'est associée à des chercheurs du RIKEN Center for Computational Science au Japon, le Consortium du Nouveau-Mexique et l'Université de New York pour collecter un grand nombre de différents types de données expérimentales et les assembler pour créer un modèle tout-atome cohérent avec ces données.

Les simulations de ce type sont informées par des expériences, y compris la capture de la conformation de la chromatine, cryo-microscopie électronique et cristallographie aux rayons X ainsi qu'un certain nombre d'algorithmes de modélisation informatique sophistiqués de Jaewoon Jung (RIKEN) et Chang-Shung Tung (Los Alamos).