Трёхмерная цифровая модель «минимальной клетки» приближает учёных к пониманию самых элементарных потребностей жизни. От причудливых существ в глубинах океанов до бактерий внутри наших тел, вся жизнь на Земле состоит из клеток.
Но у нас есть лишь очень приблизительное представление о том, как функционируют даже самые простые из этих клеток.
Теперь, как было описано недавно в Cell, команда из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн и их коллеги создали наиболее полную компьютерную симуляцию живой клетки. С помощью этой цифровой модели биологи могут преодолеть ограничения природы и ускорить свои исследования того, как устроена самая основная единица жизни — и что произошло бы, если бы она работала по-другому. «Представьте, что вы можете из одной симуляции… восстановить результаты, для проведения которых потребовалось бы много-много экспериментов», — сказала старший автор Зайда (Зан) Лютей-Шультен, возглавлявшая группу, проводившую симуляции в Университете Иллинойса.
Используя модель, она и её коллеги уже сделали удивительные открытия в области физиологии и о репродуктивном цикле смоделированной ими клетки, и симуляция продолжает служить генератором идей для дальнейших экспериментов. «Это первый раз, когда мы можем по-настоящему тщательно изучить метаболизм целой сложной системы — не просто биохимической реакции или искусственной системы, а целой живой клетки», — сказала Кейт Адамала, биолог-синтетик и доцент из Университета Миннесоты.
В течение многих лет учёные пытались смоделировать целые клетки и точно предсказать их биологию, но они потерпели неудачу, потому что большинство клеток слишком сложны.
«Трудно построить модель, если вы не знаете, какие элементы входят в её состав», — сказала Адамала. Но клетка, с которой работает группа из Иллинойса, настолько проста, в ней гораздо меньше генов, чем в любой другой клетке, что её физиологию легче понять, что делает её идеальной платформой для модели.
Рассматриваемая клетка представляет собой созданную в лаборатории «минимальную клетку», балансирующую на грани между живым организмом и неживым сложным соединением и несущую ограниченное количество генов, большинство из которых необходимы для выживания. Воспроизводя известные биохимические процессы, происходящие внутри этой очень простой клетки, и отслеживая все питательные вещества, отходы, генные продукты и другие молекулы, проходящие через неё в трёх измерениях, моделирование приближает учёных к пониманию того, как простейшая форма жизни поддерживает себя, и раскрывает некоторые из элементарных требований жизни.
Фото: naukatehnika.com
Полученные данные являются отправной точкой для построения более сложных и значимых моделей естественных клеток. Если учёные в конечном итоге смогут построить подробную симуляцию обычной кишечной бактерии Escherichia coli, например, это будет абсолютным переломным моментом, потому что всё человеческое «биопроизводство» работает на E. coli.
Цифровая жизнь
Минимальная клетка, смоделированная командой, JCVI-syn3A, представляет собой обновлённую версию клетки, разработанной синтетическими биологами из Института Дж. Крейга Вентера и представленной в Science в 2016 году. Её геном разработан по образцу очень простой бактерии Mycoplasmas mycoides, но лишён генов, которые учёные проекта систематически определяли как не являющиеся необходимыми для жизни.
JCVI-syn3A обходится всего лишь 493 генами, что примерно вдвое меньше, чем у его бактериального вдохновения, и только примерно на одну восьмую меньше, чем у E. coli. Несмотря на простоту, клетка остаётся загадочной. Например, никто не знает, что делают 94 из этих генов, кроме того, что без них клетка умирает. Их присутствие предполагает, что могут быть «живые задачи или функции, необходимые для жизни, о которых… наука не ведает», — сказал Джон Гласс, соавтор нового исследования и руководитель группы синтетической биологии в Институте Вентера, и частично участвовавший в работе команды, которая исследовала минимальную клетку в 2016 году. С помощью моделирования исследователи надеются, что смогут быстро начать раскрывать некоторые из этих тайн.
Чтобы построить новую модель, команда Университета Иллинойса использовала множество открытий из разных областей и объединила их воедино. Обширный анализ белков помог разместить все нужные известные белки внутри, а подробный анализ химического состава клеточной мембраны, проведенный их соавторами из Дрезденского технологического университета в Германии, помог правильно разместить молекулы снаружи. Тщательная карта биохимии клетки предоставила свод правил взаимодействия молекул.