250 terabajtów danych i miesiące obliczeń. Sukces naukowców z Politechniki Gdańskiej

Naukowcy z Gdańska współtworzyli badania, które mają pomóc lepiej zrozumieć DNA

Naukowcy z Politechniki Gdańskiej znaleźli się w gronie autorów jednego z największych dotychczas badań poświęconych właściwościom DNA. Międzynarodowy zespół zgromadził około 0,25 petabajta danych, czyli 250 terabajtów, które mają pomóc lepiej zrozumieć mechanizmy działania materiału genetycznego oraz stworzyć dokładniejsze modele wykorzystywane w biologii obliczeniowej i sztucznej inteligencji.

Badania przeprowadziło 14 zespołów naukowych skupionych w konsorcjum Ascona B-DNA Consortium (ABC). Ich celem było szczegółowe zbadanie mechanicznych właściwości różnych sekwencji DNA przy użyciu zaawansowanych symulacji komputerowych. Efekty prac opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications”.

CZYTAJ TEŻ: Nawet 26 osób na jedno miejsce! PG i UG przyciągnęły dziesiątki tysięcy kandydatów

Miesiące symulacji i ćwierć petabajta danych

Projekt należy do największych przedsięwzięć tego typu. Łącznie wygenerowano około 250 terabajtów danych, które pozwoliły opisać procesy zachodzące w DNA w przedziale czasowym sięgającym 0,1 sekundy. W świecie biologii molekularnej to bardzo długi okres obserwacji.

Symulacje prowadzone były z dokładnością do femtosekund, czyli jednej biliardowej części sekundy. Dzięki temu badacze mogli śledzić zmiany zachodzące na poziomie pojedynczych atomów, a jednocześnie analizować zjawiska, które ujawniają się dopiero po wielu miesiącach obliczeń.

Symulacje odtwarzają przebieg badanego procesu w skali femtosekund, dzięki czemu możemy obserwować zmiany strukturalne zachodzące na poziomie atomu - wyjaśnia dr inż. Miłosz Wieczór z Katedry Chemii Fizycznej WChem PG, współautor publikacji. - 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.

To kolejny etap wieloletniego programu badawczego realizowanego przez konsorcjum ABC. W poprzednich odsłonach projektu powstały narzędzia pozwalające przewidywać pozycjonowanie nukleosomów oraz obliczać koszt deformacji dowolnej sekwencji DNA.

Nowe wyniki zwiększają dokładność tych metod. Zdaniem naukowców umożliwią budowę bardziej precyzyjnych modeli opisujących zachowanie DNA oraz rozwój narzędzi wykorzystujących sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe.

Wkład naukowców z Politechniki Gdańskiej

Zespół z Politechniki Gdańskiej odpowiadał za wykonanie części symulacji oraz analizę i wizualizację ogromnych zbiorów danych strukturalnych. Do ich opracowania wykorzystano również metody uczenia głębokiego.

W gronie współautorów publikacji znalazło się czterech naukowców związanych z Politechniką Gdańską: 

• dr inż. Miłosz Wieczór, obecnie pracujący w Katedrze Chemii Fizycznej Wydziału Chemicznego PG, 
• prof. dr hab. inż. Jacek Czub, 
• mgr inż. Michał Jurkowski 
• oraz dr Kazi Amirul Hossein, który obronił doktorat na Politechnice Gdańskiej w 2023 roku.

- Nasza praca nad symulacjami układów zawierających kwasy nukleinowe zaczęła się około 13–14 lat temu - mówi dr inż. Miłosz Wieczór. - 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. Giulią Palermo z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles.

ZOBACZ TEŻ: Orzeł wystartował. Rakieta studentów PG wśród najlepszych na świecie

Badacze podkreślają, że zgromadzone dane będą wykorzystywane do: 

• dalszych badań nad strukturą DNA, 
• tworzenia coraz dokładniejszych modeli biologicznych,
• rozwoju algorytmów sztucznej inteligencji analizujących materiał genetyczny. 

Istotne znaczenie ma również sposób przygotowania danych. Wszystkie zostały zapisane według jednolitego standardu, a komplet symulacji udostępniono w otwartej bazie danych. Oznacza to, że z wyników mogą korzystać badacze z całego świata, rozwijając własne analizy i modele.