研究人員成功模擬了一個活的“最小細胞”。這一進展將有助于創(chuàng)建計算機模型，準確預測活細胞在基因組或其他特征發(fā)生變化時的行為方式。 圖片來源：L. BRIAN STAUFFER
科技日報記者 張夢然
據(jù)最新一期《細胞》雜志報道，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(fā)一個系統(tǒng)，用于預測基因組、生命條件或活細胞物理特性的變化將如何改變其功能。
美國伊利諾伊大學厄巴納分?；瘜W教授贊達·露西—舒爾滕說，最小細胞具有精簡的基因組，這些基因組攜帶有復制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3D、完全動態(tài)的最小活細胞動力學模型，該模型模擬了實際細胞中發(fā)生的情況。”
該模擬以原子尺度繪制出3D空間中數(shù)千個細胞成分的精確位置和化學特征。它跟蹤這些分子在細胞中擴散并相遇需要多長時間，當它們擴散時會發(fā)生什么樣的化學反應(yīng)，以及每一步需要多少能量。
為了構(gòu)建最小細胞，美國加州克雷格·文特研究所（JCVI）科學家們轉(zhuǎn)向最簡單的活細胞支原體，這是一種寄生于其他生物體的細菌。在之前的研究中，JCVI團隊構(gòu)建了一個合成基因組，并在富含細胞維持所需的所有營養(yǎng)和因素的環(huán)境中培養(yǎng)細胞。對于這項新研究，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。
舒爾滕說，模擬像活細胞這樣巨大而復雜的東西依賴于數(shù)十年研究的數(shù)據(jù)。為了建立計算機模型，研究人員必須考慮細胞DNA、脂質(zhì)、氨基酸的物理和化學特性，以及基因轉(zhuǎn)錄、翻譯和蛋白質(zhì)構(gòu)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(zhì)。
研究人員表示，該模型模擬了一個最小細胞內(nèi)從其出生到兩小時后分裂的所有化學反應(yīng)。這個最小活細胞的3D、全動態(tài)動力學模型打開了一扇了解細胞內(nèi)部運作的窗口，展示了所有細胞成分是如何響應(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
細胞，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，有待人類探索和破解。構(gòu)建3D最小活細胞，則為透視細胞中的微觀世界，提供了一種獨特的路徑和視角。
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