شبیه‌سازی توالی‌سنجی کل ژنوم با استفاده از ابررایانه

برای اینکه توالی‌سنجی ژنوم انسانی به یک فرایند عادی و قابل انجام برای تک‌تک افراد تبدیل شود، باید زمان این فرایند به کمتر از یک روز و هزینه آن به کمتر از ۱۰۰۰ دلار کاهش یابد. در سال ۲۰۰۸ گروهی از محققان دانشگاه ایلینویز در اوربانا-شمپین به رهبری الکسی آکسیمنتیوف استادیار فیزیک، پروژه‌ای برای ایجاد ماشین توالی‌سنجی ژنوم که بتواند در بیمارستان‌ها استفاده شود، آغاز کردند. این گروه از محققان با استفاده از ابررایانه جاگوار در آزمایشگاه ملی Oak Ridge که یکی از سریع‌ترین ابررایانه های جهان به‌شمار می‌رود، در حال بررسی یک راهکار مبتنی بر نانوحفره هستند که می‌تواند زمان و هزینه توالی‌سنجی DNA را تا حد زیادی کاهش دهد. تحقیقات آنها شکل DNA را که از یک نانوحفره عبور می‌کند، آشکار می‌سازد. با عبور DNA از این حفره، توالی نوکلئوتیدها توسط یک شناساگر خوانده می‌شود.
 

آکسیمنتیوف می‌گوید: «مشکل اصلی نسل‌های قبلی نانوحفره‌های زیستی و سنتزی، عدم تشخیص توالی DNA با تفکیک‌پذیری یک نوکلئوتید بود. نوکلئوتیدها به سرعت از حفره عبور کرده و محققان نمی‌توانستند با این سرعت بالا توالی آنها را تشخیص دهند».

گروه آکسیمنتیوف از نانوحفره MspA که یک پروتئین مهندسی‌شده است، استفاده کردند. توالی این پروتئین باید تغییر کند تا بتواند با قدرت بیشتری به رشته متحرک DNA پیوند یابد. MspA یک بستر بسیار مناسب برای توالی‌سنجی DNA به‌شمار می‌رود، زیرا دانشمندان می‌توانند موانعی را که در این حفره وجود دارد و می‌تواند حرکت DNA را کند نماید، اندازه‌گیری کنند. تغییر توالی MspA در آزمایشگاه برای بهینه‌سازی این موانع کار زمان‌بر و گرانی است، اما با استفاده از یک رایانه اینگونه نیست. بنابراین دانشمندان قبل از انجام هرگونه تغییر در توالی MspA ، کارایی این تغییر و خطرات آن را با استفاده از رایانه شبیه‌سازی می‌کنند تا در زمان و هزینه صرفه جویی شود.

آکسیمنتیوف می‌گوید: «ما یک مطالعه اولیه روی چندین تغییر اعمال شده در نانوحفره MspA انجام داده و توانستیم سرعت عبور رشته DNA را تا حد زیادی کاهش دهیم. این مطالعات اولیه نشان می‌دهند که کاهش ۱۰۰ برابری در سرعت عبور DNA از درون نانوحفره که برای توالی‌سنجی ژنوم با تفکیک‌پذیری یک نوکلئوتید لازم است، امکان‌پذیر است. هدف از مطالعات بعدی دست‌یابی به این هدف است». محققان این گروه امیدوارند بتواند تا سال ۲۰۱۳ به هدف تعیین‌شده دست یابد.