Биологи создали самую сложную виртуальную клетку

Модель Mycoplasma genitalium. Изображение Karr et al./Cell

Ученые создали самую подробную на сегодняшний день компьютерную модель индивидуальной клетки. Она оказалась способна предсказывать ранее неизвестные свойства реальных бактерий. Работа опубликована в журнале Cell, ее краткое содержание приводится на сайте Стенфордского университета.

Для максимально подробного моделирования ученые выбрали бактерию с самым маленьким геномом - Mycoplasma genitalium. Из-за упрощения, вызванного паразитическим образом жизни, в ее ДНК имеется всего 525 генов (против более 4 тысяч генов у классической лабораторной E. coli). Именно по этой причине ДНК Mycoplasma genitalium стала основой для первого искусственно синтезированного генома.

Виртуальная клетка моделировала синтез и распад различных метаболитов (аминокислот, нуклеотидов и других молекул), белков, ДНК, РНК, взаимодействие между генами и клеточное деление. Процесс управлялся приблизительно двумя тысячами параметров.

Исходные данные были получены на основе более девятисот публикаций. Разные процессы были сгруппированы в 28 различных модулях, работающих по собственным алгоритмам. Координация между ними происходила во время каждого шага симуляции.

Подробность созданной модели позволила использовать ее для проведения виртуальных экспериментов и наблюдений, которые пока невозможны в экспериментальной биологии. Например, можно было следить за колебаниями различных метаболитов в течение жизни клетки.

Один из нетривиальных результатов был получен в ходе наблюдения за ростом нескольких виртуальных бактерий. Оказалось, что, хотя в целом циклы деления идут с одинаковой скоростью, разные его стадии могут протекать с разной скоростью. Например, стадия подготовки к синтезу ДНК у одной бактерии протекает дольше, чем у другой, зато сам синтез идет быстрее.

Несмотря на свою относительную сложность, виртуальная клетка все-таки очень далека от реальной. На сегодняшний день не существует способа предсказать даже структуру белка по его последовательности, тем более предсказать результат взаимодействия двух белков. Поэтому в таких вопросах модель ограничена известными данными и не может показать того, что не известно экспериментально. Таких данных, впрочем, в последнее время в биологии становится все больше.