電腦生成的類比細胞早期分裂階段示意圖。圖片來源：ZaneThornburg
本報訊研究人員首次類比了活細菌細胞中幾乎所有的化學反應，以及虛擬細胞複製其DNA並分裂成兩個細胞的過程。論文作者、美國伊利諾伊大學香檳分校的ZaneThornburg表示，這項類比有助於研究人員理解細胞壁內蛋白質、核酸、脂肪和其他分子的相互作用是如何產生生命的。3月9日，相關研究成果發表於《細胞》。
為了類比細菌，Thornburg選擇了一個最簡單的例子：具有“最小”基因組的細菌細胞。這種名為JCVI-Syn3a的生物是通過將寄生蟲支原體的基因組削减到493個基因創造出來的，它剔除了400多個非必需基因。
Thornburg創建了一個三維模型，用來類比細胞的DNA、蛋白質、核糖體和其他生命分子隨時間推移發生的變化。特定分子，如DNA複製酶，遵循基於現實世界量測的規則，相互作用的分子在物理空間靠近就會發生反應。
而有些功能細節則被模糊了，例如，幾十個JCVI-Syn3a基因的功能仍然未知，囙此研究人員將它們建模為惰性球體。此外，在真實細胞中，多個核糖體可以利用相同的mRNA轉錄本合成蛋白質，但Thornburg的模型只允許每個轉錄本對應一個核糖體。
團隊的目標是類比JCVI-Syn3a複製DNA並分裂成兩個細胞的過程，即細胞週期。Thornburg說，一些早期嘗試失敗了，因為基因組的分解速度超過了合成速度，導致基因組從細胞膜中溢出。
在對這些問題進行調整後，他們運行了模型，最終重現了許多真實生命體的細節，包括細胞分裂時的膨脹和伸長。Thornburg表示，虛擬細胞分裂所需的105分鐘與真實細胞繁殖所需的時間“驚人地接近”。然而，類比這105分鐘的過程在超級電腦上需耗時6天，凸顯了運行此類細胞模型所需的計算强度。
美國加利福尼亞大學聖地牙哥分校的BernhardPalsson說，這項類比之所以意義重大，因為它捕捉到細胞活動的廣度。“讓所有這些過程在細胞週期中協調一致是一項巨大挑戰。”
美國哈佛大學醫學院的MarinkaZitnik認為，JCVI-Syn3a的類比可以激發利用人工智慧創建“虛擬細胞”的工作。人工智慧虛擬細胞的目標是通過學習大量細胞生物學數據來類比細胞的內部運作，而不是像Thornburg團隊那樣對生物化學的詳細規則進行編碼。
然而，為更好地反映生命，人工智慧虛擬細胞需要像JCVI-Syn3a模型那樣，考慮細胞如何隨時間變化。“這項研究為數位細胞模型奠定了重要基礎。”Zitnik補充道。
美國斯坦福大學的MarkusCovert說，與人工智慧虛擬細胞相比，JCVI-Syn3a類比及類似“機制”的模型具有明顯的優勢，一些科學家認為，人工智慧虛擬細胞可能還要十年才會出現。
此外，JCVI-Syn3a類比和Covert團隊正在開發的一個大腸桿菌模型，對數據的需求比人工智慧模型小，而且從細胞類比中獲得的見解基於易於驗證的生化機制。“這些模型可以引導我們思考以前從未考慮過的科學問題。”Covert說。