Ученые часто пытаются понять важные процессы в клетке, вмешиваясь и наблюдая за тем, что происходит. Но часто клетка просто умирает.

Фото: CC0 Public Domain

Это была проблема, которую Эндрю Спаковиц, доцент химического машиностроения и материаловедения и инженерии в Стэнфордском университете, предвидел для ученых, пытающихся понять, как важная информация в ДНК организована в наших клетках.

Чтобы обойти эту проблему, Спаковиц и его команда создали компьютерную модель для манипулирования «клетками» в симуляции — без уничтожения реальных клеток в процессе. Их модель предсказывает, как изменения в клетке влияют на способ упаковки ДНК. Эта информация послужит основой для других лабораторных экспериментов, чтобы понять, как организация ДНК влияет на то, какие гены включены или выключены.

«Вопрос был , если есть какая -то надежда захватить основные модели поведения в неоспоримо сложной живой системе с чем — то же просто , как нашей моделью» Spakowitz сказал. Ответ, который они сообщают в Слушаниях Национальной Академии Наук , был оглушительным да.

Организация ДНК

В каждой клетке человека содержится около шести футов ДНК. Чтобы соответствовать всему этому, длинные нити ДНК обвиваются вокруг белковых кластеров, называемых гистонами. Гены в плотно намотанной ДНК, называемые гетерохроматином, часто отключаются, потому что им трудно получить доступ к клетке.

Компьютерная модель показывает области гетерохроматина, которые выглядят как плотные комки струн, и открытые области, называемые эухроматином — места, где гены часто активны. Глядя на то, как ДНК упаковывается в клетке, исследователи могут определить, какие гены, вероятно, включены или выключены.

«Установление связи между физической организацией ДНК и экспрессией генов является важным шагом в понимании того, как клетка контролирует, какие гены экспрессируются, а какие нет», — сказал Спаковиц.

Чтобы понять факторы, определяющие порядок организации ДНК, Спаковиц и его команда настроили «клетки» в своей компьютерной модели, чтобы увидеть, как определенные изменения повлияют на упаковку ДНК в ядре. Например, когда они добавили больше белка под названием HP1, который участвует в выключении генов, ДНК образовала плотные комки. Эти области также имели гистоны, помеченные химическими группами, которые заглушают близлежащие гены.

Модель для реальности

Чтобы убедиться, что их модель работает, команда сравнила предсказания модели с результатами реальных экспериментов. Они проанализировали данные лабораторных экспериментов, которые замораживают клетку в определенный момент времени, по сути, делая снимок того, как организована ДНК. Когда команда смоделировала эти эксперименты в модели, они увидели те же результаты, что и в реальных клетках.

«Простое включение одного фактора показывает огромное согласие между смоделированными и экспериментальными данными», — сказал Куинн Макферсон, кандидат наук в области физики в лаборатории Spakowitz. Это сказало команде, что ее простая модель может точно предсказать, как ДНК будет организована в реальных клетках.

Систематическое изменение вещей в моделируемой клетке позволило бы исследователям манипулировать ДНК в экспериментах, которые были бы невозможны на лабораторном стенде. «Эти эксперименты могут стоить десятки тысяч долларов и бесчисленные часы в лаборатории, но мы можем просто крутить ручку на компьютере», — сказал Бруно Белтран, кандидат биофизики в лаборатории Спаковица.

Запуск смоделированного эксперимента перед выполнением теста может помочь исследователям определить приоритеты лабораторных экспериментов. Спаковиц и его команда надеются, что их модель послужит руководством для информирования других исследователей о том, как организация ДНК влияет на то, какие гены включены или выключены.

По материалам phys.org