Champaign, Illinois – Naukowcy donoszą, że zbudowali żywą „małą komórkę” z genomem pozbawionym niezbędnych elementów – i komputerowym modelem komórki, który odzwierciedla jej zachowanie. Udoskonalając i testując swój model, naukowcy twierdzą, że opracowują system, który może przewidywać, w jaki sposób zmiany w genomie, warunkach życia lub właściwościach fizycznych żywych komórek zmienią sposób ich funkcjonowania.
O swoich ustaleniach informują w czasopiśmie Cell.
Powiedział, że mikroskopijne komórki mają zredukowane genomy, które niosą geny potrzebne do replikacji ich DNA, wzrostu, podziału i wykonywania większości innych funkcji definiujących życie. Ślady (Zean) Lothi Schulten, a chemia Profesor na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign, który kierował pracami ze studentem studiów magisterskich Zane Thornberg. „Nowość polega na tym, że opracowaliśmy w pełni dynamiczny trójwymiarowy model kinematyczny małej żywej komórki, który symuluje to, co dzieje się w rzeczywistej komórce” — powiedziała Lothi Schulten.
Symulacja odwzorowuje dokładną lokalizację i właściwości chemiczne tysięcy składników komórkowych w trójwymiarowej przestrzeni w skali atomowej. Śledzi, ile czasu zajmuje tym cząsteczkom krążenie w komórce i spotykanie się, jakie rodzaje reakcji chemicznych zachodzą, gdy zachodzą i ile energii jest wymagane na każdym etapie.
Aby zbudować minimalną liczbę komórek, naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera w La Jolla w Kalifornii zwrócili się do najprostszych żywych komórek – mykoplazmy, rodzaju bakterii, które pasożytują na innych organizmach. W poprzednich badaniach zespół JCVI zbudował sztuczny genom, w którym brakowało jak największej liczby nieistotnych genów, i hodował komórkę w środowisku bogatym we wszystkie składniki odżywcze i czynniki potrzebne do jego utrzymania. Na potrzeby nowego badania zespół dodał kilka dodatkowych genów, aby poprawić żywotność komórek. Ta komórka jest prostsza niż jakakolwiek naturalnie występująca komórka, co ułatwia projektowanie na komputerze.
Symulacja czegoś tak masywnego i złożonego jak żywa komórka opiera się na danych z dziesięcioleci badań, powiedziała Lothi Schulten. Aby zbudować model komputerowy, ona i jej koledzy z Illinois musieli obliczyć fizyczne i chemiczne właściwości DNA komórki; Tłuszcze. Aminokwasy; oraz maszyneria do transkrypcji, translacji i syntezy białek. Musieli również wymodelować, w jaki sposób każdy składnik rozprzestrzeniał się w komórce, śledząc energię wymaganą na każdym etapie cyklu życia komórki. Do przeprowadzenia symulacji wykorzystano procesory graficzne NVIDIA.
„Zbudowaliśmy model komputerowy w oparciu o to, co wiemy o małej komórce, a następnie przeprowadziliśmy symulacje” – powiedział Thornberg. „I sprawdziliśmy, czy nasza symulowana komórka zachowuje się jak prawdziwa”.
Luthi Schulten powiedział, że symulacje dały naukowcom wgląd w to, w jaki sposób „rzeczywista komórka równoważy wymagania metabolizmu, procesów genetycznych i wzrostu”. Model ujawnił na przykład, że komórka wykorzystuje większość swojej energii do importowania jonów i niezbędnych molekuł przez błonę komórkową. Ma to sens, powiedziała Lothi Schulten, ponieważ mykoplazma pobiera większość tego, czego potrzebuje do przeżycia, od innych organizmów.
Symulacje umożliwiły również Thornburgowi obliczenie normalnej długości życia informacyjnego RNA, genetycznego planu budowy białek. Wykazali również związek między szybkością syntezy lipidów i białek błonowych a zmianami pola powierzchni błony i objętości komórek.
„Symulowaliśmy wszystkie reakcje chemiczne w małej komórce – od jej narodzin do momentu podziału dwie godziny później” – powiedział Thornberg. „Z tego otrzymujemy model, który mówi nam o zachowaniu komórki i jak możemy ją skomplikować, aby zmienić jej zachowanie”.
„Opracowaliśmy w pełni kinetyczny i dynamiczny model 3D małej żywej komórki” — powiedziała Lothi Schulten. „Nasz model otwiera okno na wewnętrzne działanie komórki, pokazując nam, w jaki sposób wszystkie komponenty wchodzą w interakcje i zmieniają się w odpowiedzi na sygnały wewnętrzne i zewnętrzne. Ten model – i inne, bardziej złożone modele w przyszłości – pomoże nam lepiej zrozumieć podstawowe zasady życia”.
Luthi Schulten jest kierownikiem Katedry Chemii Murchison Mallory. ona jest nauczycielką Fizyka I jedna z filii Instytut Zaawansowanej Nauki i Technologii Beckmann, ten Carl. Instytut Biologii Genomowej im. R. Woese, ten Centrum Biofizyki i Biologii Kwantowej i Biofizyka teoretyczna i obliczeniowa Grupa znajduje się na U. of I. Jest także współdyrektorem National Science Foundation Centrum Fizyki Żywych Komórek w Illinois.
Badania te wspierają National Science Foundation i National Institutes of Health.
„Całkowity miłośnik kawy. Miłośnik podróży. Muzyczny ninja. Bekonowy kujon. Beeraholik.”
More Stories
Prognoza cukrzycy w Australii w 2024 r. | Wiadomości o Mirażu
„Gorąca sauna żabia” pomaga australijskim gatunkom w walce ze śmiercionośnym grzybem
Model sztucznej inteligencji poprawia reakcję pacjentów na leczenie raka