Физики моделируют воздействие радиации на ДНК для борьбы с онкологией
29 Апреля 2019

Ученые лаборатории экспериментальной физики высоких энергий ТГУ вместе с французскими коллегами из университета Бордо приступили к разработке нового подхода моделирования эффектов малых доз радиации на клеточном уровне. Физики впервые в мире будут моделировать воздействие радиации на ДНК и рассчитывать вероятность развития рака в различных химических и биологических средах.

Это междисциплинарный проект, объединяющий моделирование в физике, биологии и биохимии. Ученые будут исследовать процессы, происходящие в клетке в результате воздействия радиации на молекулы среды и биологические макро-молекулы, а также на последующие физико-химические и биохимические процессы.

При воздействии радиации на организм человека высокочастотные излучения или высокоэнергичные частицы проникают в живую клетку, «выбивая» электроны из молекул, ее составляющих. Если при этом в клетке появляются ионы или ее ДНК повреждается, то клетка не может нормально функционировать. Все эти процессы будут воспроизведены программами математического моделирования в рамках пакета программ Geant4.

Примеры описания геометрии простых макромолекул в GEANT4.png

– Этот инструмент комплексного моделирования уже используется в ядерной медицине для лечения онкологических заболеваний, а также востребован в космонавтике, например, для подготовки межпланетных экспедиций, поскольку позволяет предсказать эффект воздействия радиации на космонавтов и оборудование во время долгосрочного пребывания в космосе, – объясняет  Александр Ходинов, заведующий лабораторией экспериментальной физики высоких энергий ТГУ.

На первом этапе расчеты будут производиться с использованием компьютерных мощностей ТГУ. Сложность такой работы в том, что расчёт каждого цикла, или события, занимает на современном компьютере до часа.

– Реальное представление даже одной клетки требует описания такого количества компонент, которое сравнимо с описанием большой физической установки, – добавляет Александр Ходинов. – Нам предстоит не только объединить все процессы моделирования в одной среде, но также увеличить скорость вычислений с применением аппаратных ускорителей GPU и FPGA (ПЛИС).

Новый проект стал возможен благодаря участию томских физиков в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Дело в том, что подходы к созданию компьютерных программ для БАК включают в себя разработку методов параллельных вычислений и анализа больших объемов данных, которые сейчас будут применяться для исследования влияния радиации на ДНК.

Распространения электронов и свободных радикалов в результате прохождения 50 МэВ протона в воде.png

В рамках системы подготовки по направлению экспериментальной физики высоких энергий, организованной на базе ЛЭФВЭ, доктор физико-математических наук Владимир Иванченко читает спецкурс по моделированию взаимодействия ионизирующего излучения с веществом методом Монте-Карло для студентов и молодых ученых ТГУ.
Ранее томские ученые совместно с французскими коллегами применяли пакет пользовательских приложений Geant4-DNA для моделирования электронных взаимодействий в жидкой воде.  Результаты описаны в статье «Geant4-DNA example applications for track structure simulations in liquid water: a report from the Geant4-DNA Project».

ТГУ участвует в двух крупнейших экспериментальных программах ЦЕРН – ATLAS и CMS.
В ATLAS команда ТГУ решает задачу модернизации мюонного спектрометра ATLAS, чтобы повысить его чувствительность для регистрации распадов бозона Хиггса. Для этого была создана микроэлектроника и разработаны методики по комплексной проверке уникальных микросхем для новых детекторов АTLAS.
В CMS ученые ТГУ создают алмазные детекторы Roman Pots для изучения процессов упругого и неупругого рассеяния протонов в условиях LHC и занимаются моделированием работы детектора CMS с помощью пакета Geant4.