Quando le molecole reagiscono: un nuovo software visualizza i processi biologici in movimento
KIMMDY potrebbe aiutarci a comprendere meglio i processi biologici e chimici in futuro
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Dalla produzione di energia ai cambiamenti genetici: le molecole sono costantemente in movimento all'interno delle cellule biologiche. Tuttavia, studiare sperimentalmente questi processi, che avvengono su scale di lunghezza e di tempo molto piccole, è estremamente difficile. Per superare queste sfide, un gruppo di ricerca dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri, guidato dalla direttrice Frauke Gräter, ha sviluppato un nuovo metodo di simulazione. Questo metodo funziona in modo estremamente rapido ed è in grado di prevedere i processi chimici nelle cellule con un'elevata precisione.
Le reazioni chimiche sono il motore della vita. Assicurano che le cellule ottengano energia, che le proteine svolgano le loro funzioni e che il DNA si modifichi in determinate condizioni. Tuttavia, molti di questi processi avvengono su scale estremamente piccole, così piccole e così veloci da essere difficili da osservare direttamente attraverso gli esperimenti.
Per questo motivo, da anni i ricercatori utilizzano simulazioni al computer per studiare il comportamento delle molecole. Tuttavia, finora è stata tralasciata una proprietà importante per mantenere le simulazioni entro i limiti di quanto è possibile fare con gli attuali supercomputer: Mentre le molecole si muovono in modo realistico in molte simulazioni, i legami chimici non possono rompersi o formarsi di nuovo.
Un team di ricerca del Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) di Mainz ha ora sviluppato un metodo per superare questa limitazione. Il nuovo software KIMMDY (acronimo di KInetic Monte Carlo MolecularDYnamics) combina diversi approcci computazionali e utilizza metodi di apprendimento automatico per calcolare quando e dove possono avvenire le reazioni chimiche.
"Questo ci permette non solo di seguire come si muovono le molecole, ma anche come reagiscono tra loro", spiega la professoressa Frauke Gräter, direttrice del dipartimento di "Meccanica biomolecolare" dell'MPI-P. "Questo, a sua volta, apre possibilità del tutto nuove per studiare processi biologici complessi al computer".
Il nuovo metodo permette di simulare sistemi molecolari molto grandi, come le proteine o il DNA nel loro ambiente naturale, e allo stesso tempo di seguire le catene di reazioni in cui una fase chimica innesca la successiva. Tali processi svolgono un ruolo in molti contesti biologici, come il danneggiamento di biomolecole o le modifiche chimiche all'interno di proteine o DNA.
Per dimostrare le capacità del metodo, i ricercatori hanno esaminato diversi esempi tratti dalla biologia. Nelle simulazioni del collagene, una proteina cruciale per la stabilità della nostra pelle, delle ossa e del tessuto connettivo, sono stati in grado di tracciare come i frammenti molecolari reattivi migrano attraverso la proteina e si accumulano in siti specifici. Ora è possibile studiare anche i danni al DNA, come quelli causati dai raggi UV.
Il nuovo metodo si distingue perché consente di calcolare sistemi con milioni di atomi in modo più efficiente rispetto agli approcci concorrenti. Ciò significa che KIMMDY potrebbe aiutarci a comprendere meglio i processi biologici e chimici in futuro. Allo stesso tempo, KIMMDY apre nuove possibilità per interpretare i risultati sperimentali e pianificare nuovi esperimenti.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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