3D“最小活細胞”模擬細胞內部運作

據最新一期《細胞》雜誌報道,美國科學家建立了一個基因組被剝離到了最基本要素的“最小活細胞”,以及一個反映其行為的細胞計算機模型。通過改進和測試該模型,科學家們表示正在開發一個用於預測基因組、生命條件或活細胞物理特性的變化將如何改變其功能的系統。

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美國伊利諾伊大學厄巴納分校化學教授贊達·露西—舒爾滕說,最小細胞具有精簡的基因組,這些基因組攜帶有複製DNA、生長、分裂和執行大多數其他定義生命的功能所必需的基因。研究人員說:“此處的新奇之處在於,我們開發了一個3D、完全動態的最小活細胞動力學模型,該模型模擬了實際細胞中發生的情況。”

該模擬以原子尺度繪製出3D空間中數千個細胞成分的精確位置和化學特徵。它跟蹤這些分子在細胞中擴散並相遇需要多長時間,當它們擴散時會發生什麼樣的化學反應,以及每一步需要多少能量。

為了構建最小細胞,美國加州克雷格·文特研究所(JCVI)科學家們轉向最簡單的活細胞支原體,這是一種寄生於其他生物體的細菌。在之前的研究中,JCVI團隊構建了一個合成基因組,並在富含細胞維持所需的所有營養和因素的環境中培養細胞。對於這項新研究,該團隊添加了部分基因以提高細胞的活力。該細胞比任何天然細胞都簡單,因此更容易在計算機上建模。

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舒爾滕說,模擬像活細胞這樣巨大而複雜的東西依賴於數十年研究的數據。為了建立計算機模型,研究人員必須考慮細胞DNA、脂質、氨基酸的物理和化學特性,以及基因轉錄、翻譯和蛋白質構建機制。他們還必須模擬每個成分如何通過細胞擴散,跟蹤細胞生命周期中每個步驟所需的能量。

這些模擬讓研究人員深入了解了細胞如何“平衡其新陳代謝、遺傳過程和生長的需求”。例如,該模型顯示,細胞利用其大部分能量將必需的離子和分子導入其細胞膜。這是因為支原體從其他生物體中獲得了生存所需的大部分物質。

研究人員表示,該模型模擬了一個最小細胞內從其出生到兩小時後分裂的所有化學反應。這個最小活細胞的3D、全動態動力學模型打開了一扇了解細胞內部運作的窗口,展示了所有細胞成分是如何響應內部和外部線索相互作用和變化的,將幫助研究人員更好地理解生命的基本原則。