Ćwierć petabajta danych bliżej do odkrycia fizycznych zasad przechowywania informacji w DNA
Naukowcy przeprowadzili jedne z największych dotychczas badań wykorzystujących symulacje komputerowe, aby sprawdzić, jak zachowują się różne sekwencje DNA. Uzyskane dane pomagają lepiej zrozumieć sposób działania DNA i stanowią ogromną, ogólnodostępną bazę do dalszych prac naukowych. Wyniki badań, których współautorami są naukowcy Politechniki Gdańskiej, ukazały się w czasopiśmie „Nature Communications”.
Naukowcy przeprowadzili jedne z największych dotychczas badań wykorzystujących symulacje komputerowe, aby sprawdzić, jak zachowują się różne sekwencje DNA. Uzyskane dane pomagają lepiej zrozumieć sposób działania DNA i stanowią ogromną, ogólnodostępną bazę do dalszych prac naukowych. Wyniki badań, których współautorami są naukowcy Politechniki Gdańskiej, ukazały się w czasopiśmie „Nature Communications”.
W badaniach uczestniczyło 14 grup naukowców zrzeszonych w ABC (od Ascona B-DNA Consortium). To kolejna inicjatywa tego konsorcjum badawczego, a jej celem było szczegółowe zbadanie właściwości mechanicznych różnych sekwencji DNA w oparciu o metody obliczeniowe. Wyniki wcześniejszych etapów wieloletniego projektu pozwoliły na stworzenie narzędzi m.in. do przewidywania pozycjonowania nukleosomów i obliczania kosztu deformacji dowolnej sekwencji DNA, natomiast ostatnie wyniki poprawiają dokładność tych metod. Na ich podstawie będzie można tworzyć dokładniejsze modele i rozwijać narzędzia oparte na sztucznej inteligencji. Ponadto każdy kolejny cykl badawczy wyznacza nowe standardy dla analizy i wizualizacji elementów struktury DNA.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications”. Współautorami publikacji jest czterech naukowców związanych z PG: dr inż. Miłosz Wieczór (drugi autor; wówczas IRB Barcelona, obecnie Katedra Chemii Fizycznej WChem PG), prof. dr. inż. Jacek Czub i mgr. inż. Michał Jurkowski (KChF WChem PG, Szkoła Doktorska na PG) oraz dr Kazi Amirul Hossein (doktorat w 2023 na PG, w czasie publikacji w IRB Barcelona, obecnie Schrödinger, Inc).
Śledzenie procesów zachodzących w ułamku sekundy
To jedne z największych dotychczasowych badań w tym obszarze. Naukowcy zebrali łącznie 0,25 petabajta danych (250 terabajtów), co umożliwiło opis zdarzeń zachodzących w skali czasowej do 0,1 sekundy przy zachowaniu ogromnej precyzji czasowej i przestrzennej.
– Symulacje odtwarzają przebieg badanego procesu w skali femtosekund, dzięki czemu możemy obserwować zmiany strukturalne zachodzące na poziomie atomu. Niemniej pewne elementy struktury DNA zmieniają się w skali mikro-, a nawet milisekund i dopiero miesiące symulacji pozwalają opisać te relatywnie rzadkie zjawiska językiem statystyki – mówi dr inż. Miłosz Wieczór, drugi autor publikacji.
Dane są przygotowane według jednolitego schematu, co jest ważne w kontekście np. uczenia maszynowego, a wszystkie symulacje są dostępne w otwartej bazie danych, dzięki czemu można je wykorzystać do dalszych analiz.
Wkład zespołu z PG obejmował prowadzenie części symulacji w ramach konsorcjum, a także analizę i wizualizację dużych zbiorów danych strukturalnych z nowatorskim wykorzystaniem narzędzi uczenia głębokiego.
– Nasza praca nad symulacjami układów zawierających kwasy nukleinowe zaczęła się około 13-14 lat temu. Od tego czasu mamy stały wkład w rozwój i udoskonalanie nowych standardów, czego istotnym aspektem jest długofalowa współpraca z grupą prof. Modesto Orozco z Uniwersytetu w Barcelonie i prof. Gulią Palermo z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles – dodaje dr inż. Miłosz Wieczór.
