Da bi razumeli kompleksnejše molekularne sisteme, ki jih gradijo makromolekule v živih celicah, se raziskovalci in raziskovalke vse pogosteje zatekajo k računalniškim simulacijam. Zaradi vse zmogljivejših računalnikov postajajo simulacije vse bolj obsežne, tako po številu delcev oziroma molekul, ki jih lahko v simulacijo vključimo, kot tudi glede na molekularne detajle, ki jih lahko s takšnimi simulacijami preučujemo. Raziskovalca sta v raziskavi, objavljeni v znanstveni reviji PNAS, naslovila vprašanje računalniških omejitev, ki jih prinaša takšen teoretični opis kompleksnejših molekularnih sistemov. Postavila sta si vprašanje: Ali bomo lahko kdaj simulirali poenostavljene modele celotne celice?

Zlati standard simulacij predstavlja metoda, imenovana molekulska dinamika, pri kateri molekule predstavljajo skupki kroglic, te pa predstavljajo posamezne atome. Med atomi v simulaciji v vsakem trenutku delujejo sile, ki vplivajo na premikanje atomov v naslednjem časovnem intervalu simulacije. Po vsakem premiku atomov mora računalnik za vsak naslednji časovni interval izračunati sile, ki delujejo na vse atome v simulaciji. Na tej podlagi algoritem za vsak naslednji interval, ki predstavlja kratko časovno enoto, predvidi položaje kroglic v naslednjem intervalu.

V takšnem klasičnem modelu molekule predstavljajo toge kroglice, med katerimi delujejo sile. To sicer zadostuje za relativno dober opis številnih makromolekul v celici. Posebno obravnavo pa zahtevajo aktivna mesta encimov, za opis katerih je treba vpeljati podrobnejši, kvantnomehanski opis elektronske zgradbe delov molekule. Izračuni postanejo pri takšnih simulacijah bistveno potratnejši, a so potrebni za ustrezen opis delovanja nekaterih encimov, ki so ključni molekularni stroji v celici.

Raziskovalca sta na podlagi empiričnih ocen trajanja takšne simulacije molekulske dinamike ocenila, koliko časa bi potrebovali za simulacijo dveh ur “življenja” najenostavnejše bakterijske celice na trenutno najzmogljivejšem superračunalniku. Prišla sta do ocene, da bi z današnjo računsko močjo za takšno simulacijo potrebovali več milijard let. Kljub na videz enormni oceni pa avtorja trdita, da bi ob predpostavki, da bo Moorov zakon, ki zapoveduje eksponentno rast računalniške moči, še veljal, čez 50 let za takšen izračun potrebovali kakšen mesec.

V raziskavi sta avtorja naslovila tudi simulacije bistveno kompleksnejše nevronske celice. Avtorja ugotavljata, da simulacija tako velikega, kompleksnega sistema ob predpostavki, da bo Moorov zakon še veljal, ne bo mogoča oziroma smiselna še vsaj do konca stoletja.

Avtorja zaključujeta, da glede na izračunane ocene obstaja meja, do katere se bomo lahko s takšnimi simulacijami dokopali. Simulacija večceličnih kompleksnih organov, kot so denimo možgani, morda sploh ne bo izvedljiva. Čeprav s takšnimi simulacijami morda ne bomo uspeli razložiti vedenj kompleksnih interakcij med celicami – na primer v možganih –, pa bodo takšne simulacije vseeno še vedno prispevale k zmeraj bolj poglobljenemu uvidu v kompleksne molekularne sisteme, ki celico sestavljajo.



 

Simuliral je Uroš.

R. R. Netz, W. A. Eaton, Estimating computational limits on theoretical descriptions of biological cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., doi:10.1073/pnas.2022753118 (2021).