Впервые создана компьютерная модель живой клетки

Ученые в Стэнфорде совершили огромный шаг вперед: впервые была создана полная цифровая модель организма и всего его жизненного цикла. Для создания компьютерной модели крошечной бактерии Mycoplasma genitalium потребовалось написать 28 независимых взаимодействующих друг с другом модулей, симулирующих процессы живой клетки и оперирующих 1.900 параметрами. Для описания их поведения использовались 900 различных научных отчетов. Сложность модели высока: лишь для процесса деления одноклеточного требуется 10 часов симуляции, а на выходе получается полгигабайта данных.

Mycoplasma genitalium — простой паразит, обитающий в мочеполовых и дыхательных путях. Бактерия привлекает исследователей в первую очередь размером своего генетического аппарата — у M. genitalium всего 525 генов, в то время как у более традиционной лабораторной E. coli их 4.288. Несмотря на характер микроорганизма и трудности в работе с паразитом, малое количество генов делает его привлекательным для биоинженеров: именно с участием M. genitalium в 2008 году впервые была создана искусственная хромосома.

Целью же этого эксперимента было, как говорит соавтор исследования, аспирант биофизики в Стэнфордском университете Джонатан Карр, не разбор процессов M. genitalium, а улучшение понимания биологии вообще. В отчете описывается работа модели, например, для динамики протеина связывания ДНК и определения функций новых генов. Ученые заметили, что хотя длительность индивидуальных стадий развития различается от клетки к клетке, общий период существования организма почти постоянен, как предполагается, из-за встроенного механизма отрицательной обратной связи.

За последние два десятилетия появилось значительно больше информации о строении клеточной структуры, но все эксперименты сводятся к замене одного гена и наблюдению за результатами. То, что не получалось осуществить с реальным организмом, позволит произвести его компьютерная модель. Необходимость в подобных цифровых расчетах обусловлена тем, что каждый ген не просто регулирует признак, многие признаки являются следствием взаимодействия сотен и тысяч генов. Понять, как что-либо функционирует, трудно, если не иметь воссозданной схемы его работы.

Будущее подобных исследований обещает появление индивидуальной генной медицины и био-CAD, пакетов биологического автоматизированного проектирования, которые помогут избежать метода проб и ошибок, применяющегося сейчас из-за того, что мы ещё не до конца понимаем процессы даже простейшего организма.

Оригинал статьи «A Whole-Cell Computational Model Predicts Phenotype from Genotype» в Science Direct.

Перевод статьи на habrahabr.