Создание виртуальной копии живого организма открывает новую главу в понимании того, как смесь белков, жиров и нуклеиновых кислот превращается в упорядоченную биологическую систему.
Ученые разработали виртуальную модель бактериальной клетки
Исследователи из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне представили детальную компьютерную симуляцию почти всех химических реакций в живой бактерии. Модель охватывает полный жизненный цикл организма JCVI-Syn3a, включая копирование ДНК и деление и воссоздает сложнейшие биохимические процессы.
Компьютерная иллюстрация виртуальной клетки на ранних стадиях деления. Zane Thornburg
Минимальный геном. Организм JCVI-Syn3a не встречается в природе — это результат синтетической биологии. Он был создан путем удаления всех «лишних» инструкций из генома паразитической бактерии Mycoplasma mycoides. Исследователи оставили лишь тот абсолютный минимум генов, который необходим для поддержания жизни и размножения в идеальных лабораторных условиях. Но это бактерия, а не вирус. Изучение такой «раздетой» клетки позволяет биологам понять базовое устройство жизни, не отвлекаясь на сложные защитные или адаптивные механизмы, характерные для обычных бактерий. Это своего рода биологический «скелет», на котором проще всего тестировать точность компьютерных моделей перед переходом к моделированию клеток человека.
Для реализации этой задачи ученые выбрали бактерию JCVI-Syn3a с «минимальным» геномом, содержащим всего 493 гена. Это позволило создать трехмерную симуляцию, где каждая молекула, будь то фермент или рибосома, движется и взаимодействует по законам реальной физики и химии. Работа опубликована в журнале Cell.
Процесс деления клетки.
В модели ферменты находят свои цели в пространстве, а химические реакции происходят только при физическом сближении компонентов. Зейн Торнбург, соавтор исследования, подчеркивает сложность этой работы: «Мы вернулись после праздников, и внезапно прошел целый клеточный цикл. Это был огромный скачок, которого мы так долго ждали». Программа смогла воспроизвести даже такие тонкие моменты, как изменение формы клетки и ее удлинение перед разделением на две части. Несмотря на некоторые упрощения, например, игнорирование функций неизвестных генов, виртуальная клетка разделилась за 105 минут, что практически совпадает с реальными биологическими показателями.
Биомеханика против нейросетей
Визуализация 3D-компонентов модели.
Работа биофизиков демонстрирует мощь «механистического» подхода, который опирается на строгие правила биохимии, а не на статистические методы. В то время как многие научные группы сегодня пытаются создать виртуальные клетки с помощью искусственного интеллекта, требующего гигантских объемов данных, модель JCVI-Syn3a базируется на понимании конкретных молекулярных механизмов.
Такой подход позволяет исследователям не просто наблюдать за результатом, но и понять, почему система ведет себя именно так. Симуляция требует огромных вычислительных мощностей: расчет 105 минут жизни микроорганизма занял шесть дней работы суперкомпьютера.
Тем не менее, это достижение закладывает фундамент для будущих цифровых моделей более сложных систем. Подобные симуляции позволяют ставить научные вопросы, которые раньше даже невозможно было сформулировать, и проверять гипотезы о работе жизни без проведения дорогостоящих и долгих лабораторных экспериментов. В перспективе такие технологии помогут детально изучить влияние лекарств на клеточном уровне и понять природу фундаментальных процессов самоорганизации материи.