研究人員成功模擬了一個(gè)活的“最小細(xì)胞”。這一進(jìn)展將有助于創(chuàng)建計(jì)算機(jī)模型，準(zhǔn)確預(yù)測活細(xì)胞在基因組或其他特征發(fā)生變化時(shí)的行為方式。 圖片來源：L. BRIAN STAUFFER

科技日?qǐng)?bào)記者 張夢然

據(jù)最新一期《細(xì)胞》雜志報(bào)道，美國科學(xué)家建立了一個(gè)基因組被剝離到了最基本要素的“最小活細(xì)胞”，以及一個(gè)反映其行為的細(xì)胞計(jì)算機(jī)模型。通過改進(jìn)和測試該模型，科學(xué)家們表示正在開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，用于預(yù)測基因組、生命條件或活細(xì)胞物理特性的變化將如何改變其功能。

美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納分校化學(xué)教授贊達(dá)·露西—舒爾滕說，最小細(xì)胞具有精簡的基因組，這些基因組攜帶有復(fù)制DNA、生長、分裂和執(zhí)行大多數(shù)其他定義生命的功能所必需的基因。研究人員說：“此處的新奇之處在于，我們開發(fā)了一個(gè)3D、完全動(dòng)態(tài)的最小活細(xì)胞動(dòng)力學(xué)模型，該模型模擬了實(shí)際細(xì)胞中發(fā)生的情況。”

該模擬以原子尺度繪制出3D空間中數(shù)千個(gè)細(xì)胞成分的精確位置和化學(xué)特征。它跟蹤這些分子在細(xì)胞中擴(kuò)散并相遇需要多長時(shí)間，當(dāng)它們擴(kuò)散時(shí)會(huì)發(fā)生什么樣的化學(xué)反應(yīng)，以及每一步需要多少能量。

為了構(gòu)建最小細(xì)胞，美國加州克雷格·文特研究所（JCVI）科學(xué)家們轉(zhuǎn)向最簡單的活細(xì)胞支原體，這是一種寄生于其他生物體的細(xì)菌。在之前的研究中，JCVI團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)合成基因組，并在富含細(xì)胞維持所需的所有營養(yǎng)和因素的環(huán)境中培養(yǎng)細(xì)胞。對(duì)于這項(xiàng)新研究，該團(tuán)隊(duì)添加了部分基因以提高細(xì)胞的活力。該細(xì)胞比任何天然細(xì)胞都簡單，因此更容易在計(jì)算機(jī)上建模。

舒爾滕說，模擬像活細(xì)胞這樣巨大而復(fù)雜的東西依賴于數(shù)十年研究的數(shù)據(jù)。為了建立計(jì)算機(jī)模型，研究人員必須考慮細(xì)胞DNA、脂質(zhì)、氨基酸的物理和化學(xué)特性，以及基因轉(zhuǎn)錄、翻譯和蛋白質(zhì)構(gòu)建機(jī)制。他們還必須模擬每個(gè)成分如何通過細(xì)胞擴(kuò)散，跟蹤細(xì)胞生命周期中每個(gè)步驟所需的能量。

這些模擬讓研究人員深入了解了細(xì)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(xì)胞利用其大部分能量將必需的離子和分子導(dǎo)入其細(xì)胞膜。這是因?yàn)橹гw從其他生物體中獲得了生存所需的大部分物質(zhì)。

研究人員表示，該模型模擬了一個(gè)最小細(xì)胞內(nèi)從其出生到兩小時(shí)后分裂的所有化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)最小活細(xì)胞的3D、全動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型打開了一扇了解細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)作的窗口，展示了所有細(xì)胞成分是如何響應(yīng)內(nèi)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。

總編輯圈點(diǎn)

細(xì)胞，是眾多生命體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位。可以說，它們是構(gòu)建生命體的一磚一瓦。它們是“基本”的，卻并不是“簡單”的。甚至，越是深入細(xì)微之處，就越有可能發(fā)現(xiàn)，它們所包含的微觀世界充滿深邃奧妙的玄機(jī)，有待人類探索和破解。構(gòu)建3D最小活細(xì)胞，則為透視細(xì)胞中的微觀世界，提供了一種獨(dú)特的路徑和視角。

關(guān)鍵詞： 細(xì)胞 基本原則 最小