توسعه درمان‌های جدید با شبیه‌سازی مسیر ترمیم DNA توسط ابررایانه‌ها

دانشمندان با استفاده از ابررایانه Summit، مسیر مولکولی پیچیده‌ای به نام ترمیم برش نوکلئوتیدی (NER) را مورد بررسی قرار داده‌اند. این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه رشته‌های آسیب‌دیده‌ی DNA از طریق این مسیر مولکولی ترمیم می‌شوند.

به گزارش تکناک، اجزای پروتئینی NER قادرند شکل خود را تغییر دهند تا عملکردهای مختلفی در فرآیند ترمیم DNA ایفا کنند. این مطالعه می‌تواند بینش‌های مهمی را در زمینه‌ی توسعه‌ی درمان‌های جدید و پیشگیری از بیماری‌هایی مانند پیری زودرس و برخی سرطان‌ها فراهم کند.

ترمیم برداشت نوکلئوتیدی (NER): مکانیزمی برای محافظت از DNA

NER یک مکانیزم ترمیم DNA است که انواع مختلف آسیب‌های DNA را از طریق فرآیندی سه‌مرحله‌ای ترمیم می‌کند. این فرآیند شامل شناسایی آسیب، تأیید آن و در نهایت ترمیم DNA است. در هر مرحله، گروه‌های مختلفی از پروتئین‌ها نقش‌های ویژه‌ای را ایفا می‌کنند.

دکتر ایوایلو ایوانوف، استاد شیمی در دانشگاه ایالتی جورجیا و محقق اصلی این پژوهش، توضیح می‌دهد: ما به بررسی نحوه‌ی ترمیم ماده‌ی ژنتیکی در سلول‌ها علاقه‌مندیم. مسیر NER یک مکانیزم همه‌کاره است که انواع مختلف آسیب‌های DNA را ترمیم می‌کند. متأسفانه، جهش‌های مضر می‌توانند این تعادل را مختل کرده و باعث بروز بیماری‌های شدید در انسان شوند.

نقش مجموعه پیش از برش (PInC) در ترمیم DNA

تیم تحقیقاتی دانشگاه ایالتی جورجیا، مدلی رایانه‌ای از یک بخش کلیدی در مسیر NER به نام مجموعه پیش از برش (PInC) ساختند. این مجموعه نقش مهمی در تنظیم فرآیندهای ترمیم DNA در مراحل نهایی این مسیر دارد. دانشمندان با استفاده از ابررایانه Summit، که قادر به انجام ۲۰۰هزار تریلیون محاسبه در ثانیه است، شبیه‌سازی‌های گسترده‌ای را اجرا کردند تا نحوه‌ی عملکرد PInC را در مقیاس زمانی میکروثانیه‌ای بررسی کنند.

ایوانوف توضیح می‌دهد: این شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که چگونه بخش‌های مختلف مجموعه PInC به‌عنوان ماژول‌های متحرک عمل می‌کنند و چگونه این مجموعه به جوامع پویا تقسیم می‌شود. این جوامع پویا، قسمت‌های متحرک این ماشین مولکولی را تشکیل می‌دهند. همچنین، شبیه‌سازی‌ها به ما امکان دادند مناطق مهمی را که جهش‌های ژنتیکی اغلب در آن‌ها رخ می‌دهند، شناسایی کنیم. این جهش‌ها معمولاً در مرزهای بین این جوامع پویا اتفاق می‌افتند، جایی که ماشین مولکولی بیشترین تغییرات را تجربه می‌کند.

مراحل سه‌گانه‌ی فرآیند NER

فرآیند NER شامل سه مرحله‌ی اصلی است:

1. شناسایی آسیب: در این مرحله، پروتئینXPC  مانند یک امدادگر اولیه عمل می‌کند و محل آسیب‌دیده‌ی DNA را شناسایی می‌کند.
2. تأیید آسیب: پروتئین‌های دیگر به محل آسیب مراجعه کرده و آن را تأیید می‌کنند.
3. ترمیم DNA: در این مرحله، آسیب DNA ترمیم می‌شود و ساختار DNA به حالت طبیعی بازمی‌گردد.

بیماری‌های مرتبط با اختلال در NER

جهش در پروتئین‌های مرتبط با NER می‌تواند منجر به بیماری‌های ژنتیکی شدیدی شود. برخی از این بیماری‌ها عبارتند از:

• گزرودرما پیگمنتوزوم (xeroderma pigmentosum): افزایش حساسیت به سرطان پوست.
• سندرم کوکاین (Cockayne syndrome): اختلال در رشد و تکامل بدن، کاهش شنوایی و بینایی، و تسریع روند پیری.

ایوانوف تأکید می‌کند: حالا ما درک بسیار بهتری از منشأ این بیماری‌ها داریم. این دانش می‌تواند به توسعه‌ی درمان‌های جدید و مؤثرتر کمک کند.

استفاده از ابررایانه‌ی Frontier برای تحقیقات آینده

ابررایانه‌ی Summit پس از ۶ سال فعالیت، در پایان سال ۲۰۲۴ از رده خارج شد. تیم تحقیقاتی قصد دارد از جانشین آن، یعنی ابررایانه‌ی Frontier، که یک ابررایانه‌ی کلاس اگزا اسکیل است و در سال ۲۰۲۲ به‌عنوان قدرتمندترین ابررایانه‌ی جهان معرفی شد، استفاده کند.

در مرحله‌ی بعدی، محققان بر روی فرآیند ترمیم NER مرتبط با رونویسی (transcription-coupled NER) تمرکز خواهند کرد. این فرآیند برای ترمیم آسیب‌های DNA در ژن‌هایی است که فعالانه رونویسی می‌شوند تا از تولید مداوم پروتئین‌های حیاتی اطمینان حاصل شود.

این پژوهش با استفاده از ابررایانه‌ی Summit، بینش‌های جدیدی را در مورد مکانیزم ترمیم DNA و نقش مجموعه PInC ارائه کرده است. این یافته‌ها نه تنها به درک بهتر بیماری‌های ژنتیکی کمک می‌کنند، بلکه راه را برای توسعه‌ی درمان‌های جدید و پیشگیری از بیماری‌هایی مانند سرطان و پیری زودرس هموار می‌سازند. با استفاده از ابررایانه‌ی Frontier در آینده، انتظار می‌رود تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شود و دستاوردهای علمی ارزشمندتری به دست آید.