Des scientifiques du Laboratoire de physique expérimentale des hautes énergies de TSU et leurs collègues de l'Université de Bordeaux étudient de nouvelles façons de modéliser les effets de faibles doses de rayonnement au niveau cellulaire. Pour la première fois, les physiciens simuleront les effets des rayonnements sur l'ADN et calculeront la probabilité de développer un cancer dans divers environnements chimiques et biologiques.

Il s'agit d'un projet interdisciplinaire qui combine la modélisation en physique, biologie et biochimie. Les scientifiques étudieront les processus qui se produisent dans la cellule à la suite de l'exposition aux rayonnements sur les molécules environnementales et les macromolécules biologiques et sur les processus physico-chimiques et biochimiques ultérieurs.

Lorsqu'ils sont exposés à des radiations sur le corps humain, un rayonnement haute fréquence ou des particules de haute énergie pénètrent dans la cellule vivante, éliminant les électrons des molécules qui le composent. Si en même temps des ions apparaissent dans la cellule ou si son ADN est endommagé, alors la cellule ne peut pas fonctionner normalement. Tous ces processus seront reproduits par des programmes de modélisation mathématique au sein du progiciel Geant4.

« Cet outil de modélisation intégré est déjà utilisé en médecine nucléaire pour le traitement des maladies oncologiques et est également demandé en astronautique, par exemple, pour préparer des expéditions interplanétaires, car il permet de prédire l'effet des rayonnements sur les astronautes et les équipements lors d'un séjour de longue durée dans l'espace, " explique Alexandre Khodinov, Responsable du Laboratoire de Physique Expérimentale des Hautes Energies à TSU.

Au premier stade, les calculs seront effectués à l'aide des installations informatiques du TSU. La complexité d'un tel travail est que le calcul de chaque cycle ou événement prend jusqu'à une heure sur un ordinateur moderne.

« La représentation réelle d'une seule cellule nécessite la description d'un nombre de composants comparable à la description d'une grande installation physique, " ajoute Alexander Khodinov. " Nous devons non seulement combiner tous les processus de modélisation dans un même environnement, mais aussi augmenter la vitesse des calculs à l'aide d'accélérateurs matériels GPU et FPGA."

Le nouveau projet est devenu possible grâce à la participation de physiciens de TSU aux expériences ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Centre européen de recherche nucléaire (CERN). Les approches de création de programmes informatiques pour le LHC comprennent le développement de méthodes de calcul parallèle et l'analyse de grandes quantités de données, qui sera maintenant utilisé pour étudier l'effet des rayonnements sur l'ADN.

Plus tôt, Les scientifiques de Tomsk et leurs collègues français ont utilisé le package d'application utilisateur Geant4-DNA pour modéliser les interactions électroniques dans l'eau liquide. Les résultats sont décrits dans l'article "Geant4-DNA Example Applications for Track Structure Simulations in Liquid Water:a Report from the Geant4-DNA Project".