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

Ученые часто пытаются понять важные процессы в клетке, мешая и наблюдая, что происходит. Но часто камера просто умирает.

В этом была проблема, что Эндрю Спаковиц, адъюнкт-профессор химического машиностроения и материаловедения и инженерии в Стэнфордском университете, предвидел, что ученые пытаются понять, как важна информация в ДНК в наших клетках.

«Вопрос был, если есть какая -то надежда захватить основные модели поведения в неоспоримо сложной живой системе с чем — то же просто, как нашей моделью» сказала Spakowitz. Ответ, который они сообщают в Трудах Национальной академии наук, был громким да.

Организация ДНК

В каждой человеческой клетке около шести футов ДНК. Чтобы соответствовать всем этим, длинные нити ДНК-ветра вокруг белковых кластеров называются гистонами. Гены в плотной раневой ДНК, называемой гетерохроматином, часто выключаются, потому что им трудно получить доступ к клетке.

В компьютерной модели показаны области гетерохроматина, которые выглядят как плотные кусочки струны, а открытые области — эухроматин — места, где гены часто активны. Рассматривая, как ДНК упаковывается в клетку, 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 выражены, а какие нет», — сказал Спаковиц.

Чтобы понять факторы, определяющие, как формируется ДНК, Спаковиц и его команда подгоняли «клетки» в своей компьютерной модели, чтобы увидеть, как определенные изменения повлияют на то, как ДНК была упакована в ядро. Например, когда они добавили больше белка, называемого HP1, который участвует в отторжении генов, ДНК образовывала плотные глыбы. Эти регионы также имели гистоны с химическими группами, которые заставляют замолчать 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, в основном принимая снимок того, как организована ДНК. Когда команда смоделировала эти эксперименты в модели, они увидели те же результаты, что и в реальных клетках.

«Просто включение одного фактора свидетельствует о большом согласии между имитируемыми и экспериментальными данными», — сказал Куинн Макферсон, кандидат наук по физике в лаборатории Spakowitz. Это сказало команде, что ее простая модель может точно предсказать, как ДНК будет организована в реальных ячейках.

Систематическое изменение ситуации 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 закрутить ручку на компьютере», — сказал Бруно Белтран, кандидат на биофизику в лаборатории Spakowitz.

Выполнение имитационного эксперимента перед тем, как выполнить скамью, может помочь исследователям определить, какие лабораторные эксперименты делать. Спаковитц и его команда надеются, что их модель послужит ориентиром для информирования других о том, как организация ДНК влияет на то, какие гены включены или выключены.

По материалам phys.org