Rekordní simulace DNA s miliardou atomů. Kredit: Los Alamos National Laboratory.

Superpočítače se nejprve používaly především k předpovídání počasí, pak k lámání šifer brutální silou a po přelomu tisíciletí ke 3D simulacím jaderných testů, které nahradily reálné jaderné testy. A v posledních letech jsou na superpočítačích populární simulace molekul. Kromě celé řady jiných pozoruhodných projektů, samozřejmě.

Karissa Sanbonmatsu. Kredit: Los Alamos National Laboratory.

Simulací molekul se týká i nejnovější úspěch, který momentálně slaví v laboratořích Los Alamos National Laboratory. Jejich superpočítač Trinity, toho času šestý nejvýkonnější superpočítač světa, vytvořil doposud nejrozsáhlejší simulaci molekuly DNA. Tato simulace přitom zahrnovala miliardu atomů. Musela to být fajn zábava, simulace tohoto druhu ale rovněž přinášejí velmi cenné informace. Jak říká vedoucí výzkumu, strukturální bioložka Karissa Sanbonmatsu, detailní modelování velkých řetězců DNA významně přispěje k pochopení mechanismů, které souvisejí se zapínáním či vypínáním genů. Tyto mechanismy přitom hrají významnou roli v řadě závažných onemocnění.

DNA je unikátní molekula. Kromě toho, že slouží jako nosič biologické informace, si ji v poslední době oblíbili nanotechnologové, kteří ji používají jako skvělý a programovatelný stavební materiál. O fungování jednotlivých genů, jejichž informace je v DNA obsažena, rozhoduje celá řada faktorů, včetně uspořádání struktury samotné DNA. Detailní mechanismy, které ovládají vypínání a zapínání, či zesilování a zeslabování aktivity genů, ale stále nejsou úplně jasné.

Superpočítač Trinity. Kredit: Los Alamos National Laboratory.

Modelování struktury DNA na úrovni jednotlivých atomů je jednou z možných cest, jak tyto mechanismy fungování DNA rozkrýt. Problém je samozřejmě v tom, že DNA obsahuje astronomické počty atomů a simulování molekul DNA je proto extrémně náročné. Vyžaduje masivní výpočetní sílu, nejlépe v pořádném superpočítači.

Jak uvádí specialistka na fyziku polymerů Anna Lappala z týmu autorů, v současné době s kolegy zvládají modelování celých genů v podobě řetězce DNA, samozřejmě s nezbytnou pomocí superpočítače Trinity. V blízké budoucnosti by se měly objevit exascale superpočítače (s výkonem 1 exaFLOPS a větším), s nimiž bude podle Lappalové možné simulovat na úrovni atomů celé genomy. Exascale superpočítače budou mnohonásobně rychlejší než stávající špičkové stroje, takže to bude opravdu jízda.
Simulace velkých molekul, jako je tato rekordní s miliardou atomů, vycházejí z celé řady dosavadních experimentů. V tomto případě simulace zohlednily výzkum struktury chromatinu, čili materiálu chromozómů, tvořeného DNA a proteiny, metodou chromosome conformation capture, také data z kryo-elektronové mikroskopie a rentgenové krystalografie, a zároveň využily celou řadu sofistikovaných počítačových algoritmů.

Video:  Scientists create first billion-atom biomolecular simulation


Video:  Trinity Supercomputer Now Fully Operational


Literatura
Los Alamos National Laboratory 22. 4. 2019, Journal of Computational Chemistry online 17. 4. 2019.