Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн создали одну из самых подробных компьютерных моделей живой клетки. Она воспроизводит полный жизненный цикл бактерии — от копирования ДНК и синтеза белков до роста и деления. Работа опубликована в журнале Cell.
Модель представляет собой трехмерную динамическую симуляцию с наноразмерной детализацией: в ней учитываются гены, белки, молекулы РНК и тысячи химических реакций. Программа наглядно демонстрирует, как внутри клетки последовательно разворачиваются ключевые этапы ее жизни — от удвоения генома и накопления молекул до роста и последующего деления.
Для упрощения задачи исследователи остановили свой выбор на так называемой минимальной клетке Syn3A, созданной в Институте имени Дж. Крейга Вентера в США. Эта модифицированная бактерия отличается максимально сокращенным набором генов — их менее 500. В геноме сохранены исключительно те гены, которые необходимы клетке для копирования ДНК, роста и деления; все они размещены на одной кольцевой молекуле ДНК.
Несмотря на «минимальность», такая клетка оказалась чрезвычайно сложной системой. Внутри нее непрерывно движутся и взаимодействуют тысячи молекул, а пространство настолько плотно заполнено компонентами, что ученым пришлось прибегать к хитрости при визуализации: они временно скрывали часть элементов, чтобы детально рассмотреть отдельные процессы. К примеру, если убрать из вида белки, становится отчетливо видно, как длинная хромосома прокладывает путь через тесную цитоплазму.
Разработка модели растянулась на несколько лет и потребовала не только обширных массивов экспериментальных данных, но и значительных вычислительных мощностей. Отдельные процессы давались особенно нелегко — так, репликация ДНК почти вдвое замедляла ход симуляции. Чтобы справиться с нагрузкой, ученые распределили задачи между графическими процессорами компьютера: один отвечал за моделирование копирования генома, другой — за все остальные клеточные процессы.
В итоге полный клеточный цикл, который в реальности длится 105 минут, удалось воспроизвести за шесть дней вычислений. При этом модель не отслеживает положение каждого атома в отдельности: вместо этого она опирается на усредненную динамику молекул. Тем не менее точность результатов оказалась весьма высокой — в серии симуляций продолжительность клеточного цикла отклонялась от реальной всего примерно на две минуты.
Подобные модели открывают возможность одновременно наблюдать множество внутриклеточных процессов. Например, с их помощью можно проследить, как изменения в обмене веществ соотносятся с копированием ДНК или сборкой рибосом.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что микробы могут изменить космические путешествия.
