ADN là một trong những phân tử quan trọng nhất trong lĩnh vực sinh học, y sinh học và công nghệ sinh học. Tất cả các sinh vật sống được biết đến đề dùng phân tử ADN để chứa các thông tin di truyền. Vì vậy, việc nghiên cứu các hệ liên quan tới ADN rất quan trọng để nâng tầm hiểu biết của chúng ta về các quá trình sinh học, đồng thời giúp cho việc phát triển các ứng dụng y học như trị liệu gene, chữa trị ung thư, vi rút, nghiên cứu quá tình tiến hóa, công nghệ sinh học hay nghiên cứu tin sinh học.

ADN có độ bền cao với các cấu trúc nano đều đặn. Do đó ADN cũng là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu nano

Computational biophysics, biomaterials, biomedicine là một trong các hướng phát triển trọng tâm trong thế kỷ 21 ở USA, Europe, China… Ở Việt Nam, ngành vật lý sinh học nói chung đã bắt đầu thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học. Tuy nhiên các nghiên cứu trong lĩnh vực lý sinh nói chung và phân tử AADAN nói riêng ở Việt Nam còn khá hạn chế và rời rạc. Đặc biệt là nghiên cứu mô phỏng định tính ứng dụng cao trong nghiên cứu lý sinh dược.

Nhằm đóng góp được nhiều cho các nghiên cứu cơ bản trong ngành khoa học lý sinh của nhà trường, đất nước, tạo đà để theo kịp các xu hướng nghiên cứu thế giới. Đồng thời đem các phương pháp nghiên cứu tiên tiến áp dụng vào môi trường khoa học ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, do PGS. TS. Nguyễn Thế Toàn đứng đầu đã đề xuất và được giao thực hiện nhiệm vụ: “Phát triển phần mềm mô phỏng ADN đa cấp nhằm ứng dụng trong thiết kế thuốc và mô hình tính toán Vật lý-Sinh học-Dược học”.

Các mục tiêu trong nghiên cứu bao gồm:

- Nghiên cứu khảo sát các mô hình phân tử ADN nguyên tử(atomistic) và siêu nguyên tử (coarse-grain).

- Nghiên cứu tìm được các tham số vật lý thích hợp để làm cầunối khi thay đổi cấp độ mô phỏng nguyên tử sang siêu nguyên tử và ngược lại.

- Nghiên cứu thuật toán để điều chỉnh các tham số của cấu hìnhsiêu nguyên tử một cách “live” trong quá trình mô phỏng tùyvào hệ mô phỏng cụ thể.

- Từ kết quả của các nghiên cứu trên, xây dựng phần mềm để hỗ trợ mô phỏng cấu trúc ADN đa cấp. Trên cơ sở này, bước đầu tạo được hình ảnh 3D động của các cấu trúc ADN với nhau, với các chất thuốc, hoặc với các phẩn tử protein hoặccác phân tử khác, góp phần tiên đoán, thiết kế chất thuốcchữa bệnh.

Bằng cách sử dụng các phương pháp tin sinh học cấu trúc, mô phỏng động học phân tử cấp nguyên tử và cấp siêu nguyên tử, lấy mẫu mở rộng, giả động lực học, lập trình website động dùng PHP + SQL và tích hợp các công cụ phần mềm: GROMACS; PLUMED, fd_helix, python; PHP, NGL, SQL, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công Phần mềm mô phỏng đa tỉ lệ cho các phân tử AND cho phép mô phỏng đa cấp của phân tử AND, mô phỏng được hệ ADN, hiển thị 3D cấu trúc nguyên tử và siêu nguyên tử theo thời gian.

Đầu vào của phần mềm là chuỗi ký tự nucleotide của một phân tử ADN. Đầu ra là hiển thị cấu trúc.

Tạo ra 01 bảng thông số vật lý của một mô hình ADN đa cấp dùng cho mô phỏng siêu nguyên tử của ADN với các phân tử khác.

Chạy trên hệ điều hành Linux Debian 8 64bit hoặc tương đương. >= 8 lõi CPU 3.0Ghz để mô phỏng phân tử ADN với 10 nucleotide cho tốc độ ~10-20 nano giây/ngày.

Các kết quả của đề tài đã đạt được các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Đồng thời còn tích hợp với nền tảng web thành một công cụ trực tuyến mô phỏng đa tỉ lệ cho phân tử ADN. Đề tài là hướng nghiên cứu mới, hiện đại đối với lĩnh vực Vật lý-Sinh học-Dược học. Trong tương lai sẽ có thể mở rộng thêm big data, machine learning, tích hợp hệ thống với mô phỏng protein và dược (kết hợp sản phẩm từ các đề tài về Gout, mu-opioid, TSPO, MOF).

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18104/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)