Η πιο ολοκληρωμένη προσομοίωση ενός κυττάρου εξετάζει τους κρυφούς κανόνες της ζωής

Από τα παράξενα πλάσματα στα βάθη των ωκεανών μέχρι τα βακτήρια μέσα στο σώμα μας, όλη η ζωή στη Γη αποτελείται από κύτταρα. Αλλά έχουμε μόνο μια πολύ πρόχειρη ιδέα για το πώς λειτουργούν ακόμη και τα πιο απλά από αυτά τα κύτταρα.

Τώρα, όπως περιγράφηκε πρόσφατα στο Κελί , μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, Urbana-Champaign και οι συνάδελφοί τους δημιούργησαν την πιο ολοκληρωμένη προσομοίωση ενός ζωντανού κυττάρου σε υπολογιστή. Με αυτό το ψηφιακό μοντέλο, οι βιολόγοι μπορούν να ξεπεράσουν τους περιορισμούς της φύσης και να επιταχύνουν την εξερεύνηση του τρόπου με τον οποίο η πιο βασική μονάδα της ζωής κροτώνει — και τι θα συνέβαινε αν γινόταν διαφορετικά.

«Φανταστείτε να είστε σε θέση από μια προσομοίωση … να ανακτήσετε αποτελέσματα που θα χρειάζονταν πολλά, πολλά πειράματα για να γίνουν», είπε η ανώτερη συγγραφέας, Zaida (Zan) Luthey-Schulten, η οποία ηγήθηκε της ομάδας που διεξήγαγε τις προσομοιώσεις στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, αυτή και οι συνάδελφοί της έχουν ήδη κάνει εκπληκτικές ανακαλύψεις σχετικά με τη φυσιολογία και τον αναπαραγωγικό κύκλο του μοντελοποιημένου κυττάρου τους και η προσομοίωση συνεχίζει να χρησιμεύει ως γεννήτρια ιδεών για περαιτέρω πειράματα.

«Είναι η πρώτη φορά που μπορούμε να έχουμε μια πραγματικά προσεκτική υπολογιστική ματιά σε έναν μεταβολισμό ενός ολόκληρου πολύπλοκου συστήματος – όχι μόνο μιας βιοχημικής αντίδρασης ή ενός πολύ τεχνητού συστήματος αλλά ενός ολόκληρου ζωντανού κυττάρου», δήλωσε η Kate Adamala, συνθετική βιολόγος και επίκουρη καθηγήτρια. στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Για χρόνια, οι επιστήμονες προσπάθησαν να μοντελοποιήσουν ολόκληρα κύτταρα και να προβλέψουν τη βιολογία τους με ακρίβεια, αλλά απέτυχαν επειδή τα περισσότερα κύτταρα είναι πολύ περίπλοκα. «Είναι δύσκολο να φτιάξεις ένα μοντέλο αν δεν ξέρεις τι τουβλάκια Lego μπαίνουν σε αυτό», είπε ο Adamala.

Αλλά το κύτταρο με το οποίο εργάζεται η ομάδα του Ιλινόις είναι τόσο απλό, με πολύ λιγότερα γονίδια από οποιοδήποτε άλλο κύτταρο, που η φυσιολογία του είναι πιο εύκολη, καθιστώντας το ιδανική πλατφόρμα για μοντέλο.

Το εν λόγω κύτταρο είναι ένα «ελάχιστο κύτταρο» κατασκευασμένο από εργαστήριο, το οποίο βρίσκεται στη γραμμή μεταξύ ζωής και μη ζωής, φέροντας περιορισμένο αριθμό γονιδίων, τα περισσότερα από τα οποία είναι απαραίτητα για την επιβίωση. Αναπαράγοντας τις γνωστές βιοχημικές διεργασίες που συμβαίνουν μέσα σε αυτό το πολύ βασικό κύτταρο και παρακολουθώντας όλα τα θρεπτικά συστατικά, τα απόβλητα, τα γονιδιακά προϊόντα και άλλα μόρια που κινούνται μέσα από αυτό σε τρεις διαστάσεις, η προσομοίωση φέρνει τους επιστήμονες πιο κοντά στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η απλούστερη μορφή ζωής διατηρείται και αποκαλύπτει μερικά τις γυμνές απαιτήσεις της ζωής.

Τα ευρήματα αποτελούν ένα σκαλοπάτι για την κατασκευή μοντέλων φυσικών κυττάρων που είναι πιο περίπλοκα και σημαντικά. Εάν οι επιστήμονες μπορέσουν τελικά να δημιουργήσουν μια εξίσου λεπτομερή προσομοίωση του κοινού βακτηρίου του εντέρου Escherichia coli , για παράδειγμα, «αυτό θα άλλαζε απόλυτα το παιχνίδι, επειδή όλη η βιοκατασκευή μας τρέχει σε E. coli », είπε ο Αδαμάλα.

Μια ψηφιακή ζωή

Το ελάχιστο κύτταρο που μοντελοποίησε η ομάδα, JCVI-syn3A, είναι μια ενημερωμένη έκδοση ενός που αναπτύχθηκε από συνθετικούς βιολόγους στο Ινστιτούτο J. Craig Venter και παρουσιάστηκε στο Science το 2016. Το γονιδίωμά του έχει σχεδιαστεί μετά από αυτό του πολύ απλού βακτηρίου Mycoplasmas mycoides , αλλά απογυμνωμένα από γονίδια που οι επιστήμονες του έργου προσδιόρισαν συστηματικά ότι δεν ήταν απαραίτητα για τη ζωή. Το JCVI-syn3A τα καταφέρνει με μόλις 493 γονίδια, περίπου το ήμισυ του αριθμού της βακτηριακής του έμπνευσης και μόνο περίπου το ένα όγδοο όσο το E. coli έχει.

Αν και απλό, το κελί είναι ακόμα αινιγματικό. Για παράδειγμα, κανείς δεν ξέρει τι κάνουν τα 94 από αυτά τα γονίδια εκτός από το ότι το κύτταρο πεθαίνει χωρίς αυτά. Η παρουσία τους υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχουν «καθήκοντα ή λειτουργίες ζωτικής σημασίας για τη ζωή που… η επιστήμη αγνοεί», δήλωσε ο John Glass, συν-συγγραφέας της νέας μελέτης και επικεφαλής της ομάδας συνθετικής βιολογίας στο Ινστιτούτο Venter, και μέρος της ομάδας που ανέπτυξε το ελάχιστο κελί το 2016. Με τη μοντελοποίηση, οι ερευνητές ελπίζουν ότι θα μπορέσουν γρήγορα να αρχίσουν να αποκαλύπτουν μερικά από αυτά τα μυστήρια.

Για την κατασκευή του νέου μοντέλου, η ομάδα του Πανεπιστημίου του Ιλινόις πήρε μια πληθώρα ευρημάτων από διάφορους τομείς και τα συνέπλεξε μαζί. Χρησιμοποίησαν εικόνες παγωμένες με φλας, λεπτές φέτες του ελάχιστου κυττάρου για να τοποθετήσουν με ακρίβεια τον οργανικό μηχανισμό του. Μια τεράστια ανάλυση πρωτεϊνών τους βοήθησε να ραντίσουν όλες τις σωστές γνωστές πρωτεΐνες μέσα και μια λεπτομερής ανάλυση της χημικής σύστασης της κυτταρικής μεμβράνης, που έγινε από τους συν-συγγραφείς τους στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Δρέσδης στη Γερμανία, τους βοήθησε να τοποθετήσουν σωστά τα μόρια στο εξωτερικό. Ένας λεπτομερής χάρτης της βιοχημείας του κυττάρου παρείχε ένα εγχειρίδιο κανόνων για τις αλληλεπιδράσεις των μορίων.

Καθώς το ψηφιακό κύτταρο μεγάλωνε και διαιρέθηκε, συνέβησαν χιλιάδες προσομοιωμένες βιοχημικές αντιδράσεις, αποκαλύπτοντας πώς συμπεριφέρθηκε και άλλαξε κάθε μόριο με την πάροδο του χρόνου.

Οι προσομοιώσεις αντικατοπτρίζουν πολλές μετρήσεις ζωντανών κυττάρων JCVI-syn3A σε καλλιέργεια. Αλλά προέβλεψαν επίσης χαρακτηριστικά των κυττάρων που δεν είχαν παρατηρηθεί ακόμη στο εργαστήριο, όπως το πώς το κύτταρο κατανέμει τον ενεργειακό του προϋπολογισμό και πόσο γρήγορα υποβαθμίζονται τα μόρια του αγγελιαφόρου RNA του, γεγονός που επηρεάζει κρίσιμα την κατανόηση των ερευνητών για το πώς ρυθμίζει το κύτταρο. γονίδια.

Μερικές από τις πιο εκπληκτικές ανακαλύψεις αφορούσαν την ταχεία ανάπτυξη και διαίρεση των κυττάρων JCVI-syn3A. Η προσομοίωση έδειξε ότι για να διαιρεθεί τόσο γρήγορα όσο συμβαίνει, το κύτταρο χρειάζεται ένα ένζυμο που ονομάζεται τρανσαλδολάση — αλλά κανένα δεν φαίνεται να υπάρχει. Είτε το κύτταρο έχει αναπτύξει μια μεταβολική οδό που καθιστά το ένζυμο περιττό, είτε "μας μένει η πιθανότητα να υπάρχει ένα τέτοιο ένζυμο, αλλά να μην μοιάζει με μια συνηθισμένη τρανσαλδολάση", είπε ο Γκλας.

Αυτός και η ομάδα του σχεδιάζουν πειράματα για να αναζητήσουν αυτό το μυστήριο μόριο, ενώ παράλληλα συνεχίζουν να δοκιμάζουν μερικές από τις άλλες προβλέψεις του μοντέλου. Έχουν ήδη επιβεβαιώσει, για παράδειγμα, ότι μπορούν να συντομεύσουν το χρόνο μεταξύ των κυτταρικών διαιρέσεων απλώς προσθέτοντας γονίδια για δύο μη απαραίτητα ένζυμα.

Υπόλοιπα άγνωστα

Δεν συμφωνούν όλα τα δεδομένα της προσομοίωσης με τα πειραματικά δεδομένα — και το μοντέλο έχει σημαντικά κενά, όπως οι άγνωστες λειτουργίες των 94 γονιδίων. Επιπλέον, το μοντέλο είναι θεμελιωδώς βιοχημικό, αλλά "για να κατανοήσουμε πλήρως το κύτταρο, πρέπει να μοντελοποιήσουμε όλες τις δυνάμεις και τις αλληλεπιδράσεις κάθε ατόμου ή μορίου του κυττάρου", είπε ο Glass.

Συζητά μια πιθανή συνεργασία με τη Roseanna Zia, αναπληρώτρια καθηγήτρια χημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, για τη δημιουργία βιοφυσικών μοντέλων του JCVI-syn3A που θα εξετάζουν πώς η φυσική οδηγεί τις αλληλεπιδράσεις μέσα στα κύτταρα.

Αν και κάθε μοντέλο έχει τα μειονεκτήματά του, «αυτό που κάνουν σε αυτή τη μελέτη είναι τόσο δύσκολο και είναι τόσο φιλόδοξο», είπε η Elizabeth Strychalski, η οποία είναι επικεφαλής της ομάδας κυτταρικής μηχανικής στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας και συν-συγγραφέας του minimal 2016 - χαρτί κυττάρων. "Είναι σχεδόν σαν να περιοριζόμαστε περισσότερο από αυτά που μπορούμε να φανταστούμε παρά από αυτά που μπορούμε να κάνουμε."

Με ένα αρκετά πλήρες μοντέλο, οι ερευνητές θα πρέπει να είναι σε θέση να γίνουν δημιουργικοί:Μπορούν να δουν τι συμβαίνει εάν κλαδέψουν βιοχημικές οδούς, ρίξουν επιπλέον μόρια ή ρυθμίσουν την προσομοίωση σε διαφορετικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα θα πρέπει να δώσουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις διαδικασίες που χρειάζονται τα κύτταρα για να επιβιώσουν — και ποιες όχι. Θα μπορούσαν ακόμη και να προσφέρουν μια ματιά στο τι απαιτούσαν τα πρώτα κύτταρα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

Η Luthey-Schulten και η ομάδα της ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το μοντέλο σύντομα για να διερευνήσουν βαθύτερες ερωτήσεις σχετικά με τις ελάχιστες αρχές της ζωής. Προς το παρόν, ωστόσο, εξετάζουν τα δεδομένα που έχει ήδη δώσει το μοντέλο. "Το επίτευγμα του να μπορείς να βάλεις αυτό το ελάχιστο κελί σε έναν υπολογιστή, να το ζωντανέψεις και να αρχίσεις να το ανακρίνεις είναι αρκετά συναρπαστικό", είπε η Luthey-Schulten.