Canlı olan her hücre, enerji üretimi, protein sentezleme, gen transkripsiyonu gibi süreçlerden sorumlu binlerce bileşene sahiptir.

Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’ndeki bilim insanları, bu fiziksel ve kimyasal özellikleri parçacık ölçeğinde bir 3B simülasyonunu oluşturdular ve canlı bir hücrenin davranışını taklit eden tamamen dinamik bir model yarattılar.

Cell dergisinde yayınlanan çalışma, hücrenin hayatta kalması, işlevi ve replikasyonu için gerekli olan ayrıştırılmış bir dizi gen içeren canlı bir minimal hücreyi simüle ediyor. Minimal hücreler; genomu yalnızca hücrenin hayatta kalması için gerekli olan minimum gen setini kodlayan bir hücrelerdir. Model, hücre döngüsünün 7.000 genetik bilgi içeren 20 dakikalık sürecini simüle etmek için NVIDIA GPU‘ları kullanıyor. Bilim insanlarına göre bu simülasyon, bugüne kadar ki yapılan en uzun ve en karmaşık hücre simülasyonu olduğunu söylüyor.

Minimal hücreleri dijital olarak yeniden oluşturulması, doğal hücrelerin oluşturulmasından çok daha kolaydır.

Canlı Hücre Fiziği Merkezi Yöneticisi ve Kimya Profesörü olan Zaida Luthey-Schulten, “Minimal hücreler 2 milyar atomdan oluşuyor. Bu hücreleri bile GPU‘lar olmadan bir insanın yaşam süresinde oluşturamazsınız.” dedi.

Tam hücre modelleri, bilim insanlarının hücrenin ortamında veya genomunda meydana gelen değişikliklerin, fonksiyonuna olan etkisi hakkında tahminde bulunmasına yardımcı olabilir. Fakat minimal hücre ölçeğinde bile, bilim insanları simülasyonlardan canlı hücrenin fiziksel ve kimyasal süreçleri hakkında bilgi sahibi olmasını sağlayabiliyor.

Profesör Zaida, “Modeli programladığımız için değil, doğru kinetik parametreler ve lipid mekanizmaları kullandığımız için simüle ettiğimiz hücreden temel hücre davranışlarını elde ettik.” dedi.

Lattice Microbes, Luthey-Schulten tarafından geliştirilen, GPU hızlandırmalı 3B’lu minimal hücre simüle etmek için kullanılan bir yazılımdır. NVIDIA NGC yazılım merkezinden erişebilirsiniz.

Üst Düzey Gerçekçilik ile Minimal Hücreler

Illinois araştırmacıları, canlı hücre modellemek için en basit canlı hücre olan parazitik mikoplazma (mycoplasma) bakterisini seçtiler. Model, La Jolla, Kaliforniya’daki J. Craig Venter Enstitüsü’ndeki bilim insanları tarafından sentezlenen ve canlılığını sürdürebilmesi 500’den az gene sahip olan bir mikoplazma hücresinin kısaltılmış versiyonu referans alınarak oluşturuldu.

Bir tane E.coli hücresi yaklaşık 5.000 gen içerir. İnsan hücresi için bu sayı 20.000’den fazladır.

Luthy-Schulten’in ekibi DNA, RNA, proteinler ve zarlarla modeli oluşturabilmek için mikoplazmanın amino asitler, nükleotitler, lipidler ve küçük molekül metabolitleri gibi hücrenin iç işleyişi hakkındaki bilgileri kullandılar.

“Bilinen her hücreyi yeniden üretebileceğimize dair geri dönütler aldık.” dedi.

Lattice Microbes yazılımını NVIDIA Tensor Core GPU’larda kullanan araştırmacılar, hücre DNA’sını genişletmeye veya kopyalamaya başlamadan önce yaşam döngüsünün 20 dakikalık bir 3B simülasyonunu çalıştırdı. Model, hücrenin enerjisinin çoğunu, hücre zarı boyunca molekülleri taşımak için kullandığını ve bu sonucun parazit hücrelerin davranışına uygun olduğunu gösterdi.

Lisansüstü öğrencisi ve makalenin başyazarı Zane Thornburg, “Bu hesaplamaları seri olarak veya atom düzeyinde yapsaydınız, yıllar alırdı. Fakat hepsi bağımsız süreçler olduğu için, koda paralelleştirme getirebilir ve GPU’lardan yararlanabiliriz.” dedi.

Thornburg şu anda başka bir GPU hızlandırmalı proje olan 3B hücre büyümesi ve hücre bölünmesi simülasyonunda çalışıyor. Ekip çalışmalarını hızlandırmak için NVIDIA DGX sistemleri ve RTX A5000 gpu‘ları kullanmaya başladı. Yaptıkları karşılaştırma sonuçlarına göre A5000 GPU‘ların önceki nesil iş istasyonlarına göre %40 daha hızlı olduğunu öğrendi.

Yukarıdaki görsel simülasyonun 20 dakikalık bölümünden bir anı gösteriyor. Sarı ve mor küreler ribozomları, kırmızı ve mavi küreler degradozom ve daha küçük küreler DNA polimerlerini ve proteinleri temsil ediyor.

Yazının kaynağına buradan ulaşabilirsiniz.