Ученые создали первую модель целой клетки в компьютере

Исследователи создали компьютерную модель плотной внутренней среды бактериальной клетки, которая — в тесте на реакцию на сахар в окружающей среде — точно имитирует поведение живых клеток.

Новые «in silico клетки» — результат сотрудничества экспериментальных ученых из Института биологии Макса Планка (Германия) и теоретиков из Университета Иллинойса с использованием новейших GPU (графических процессоров).

Их исследование опубликовано в журнале PLoS Computational Biology.

Первая полная модель цитоплазмы

«Это первый случай, когда мы моделируем целые клетки с полным представлением содержимого клеточной цитоплазмы», — сказал ведущий автор, постдок Иллинойса Элайджа Робертс. Ученые рассматривают влияние всей клеточной архитектуры, а не только ее части, как делалось ранее.

Профессор химии Заида Лутхей-Шультен, руководившая исследованием, ранее моделировала отдельные молекулы, но не систему такой сложности, как внутренность целой клетки.

Толчок от изображения рибосом

В 2006 году она увидела работу Вольфганга Баумайстера и его коллег из Института Макса Планка, которые локализовали каждую рибосому (белковосинтезирующую машину) внутри бактерии. Это изображение вдохновило ее на моделирование целой клетки.

Она попросила Баумайстера и его коллегу Хулио Ортиса повторить исследование на Escherichia coli (E. coli). Получив новые данные о рибосомах, Робертс добавил к ним данные о распределении размеров остальных молекул, занимающих пространство в клетке. Так была создана 3D-модель, показывающая степень «молекулярной переполненности» типичной клетки E. coli.

Клетка — не «мешок с водой»

Лутхей-Шультен была поражена тем, как мало «свободного пространства» оставалось внутри клетки. Ранее восприятие клетки было как «довольно большого мешка с водой, где происходит много химических реакций». Но на самом деле в клетке много препятствий, что влияет на движение молекул и протекание реакций.

Преимущества моделирования

Эксперименты на живых клетках (например, флуоресцентные) могут показать вариации в количестве копий белка в популяции клеток, но не детали, которые к этому приводят. Компьютерное моделирование целых клеток может отслеживать каждую реакцию, учитывая влияние молекулярной переполненности и других вариаций.

Результаты: архитектура клетки влияет на реакции

Моделирование двух штаммов E. coli показало, что «архитектура бактериальной клетки действительно влияет на реакции внутри клеток». При наличии сахара в среде более длинный и узкий штамм E. coli мог намного быстрее увеличить производство белка-переносчика сахара, чем более крупный штамм. Эта разница была во многом связана с распределением молекул в каждом типе клеток.

Моделирование также показало, как молекулярная переполненность влияет на поведение репрессора — молекулы, которая, связываясь с ДНК, отключает производство белка-переносчика сахара. Даже не будучи связанной с ДНК, эта молекула оставалась близко к сайту связывания, потому что другие молекулы в клетке блокировали ее уход. Эти внутриклеточные препятствия снижали ее способность к диффузии.

Следующие шаги

Новая модель — лишь первый шаг к точному моделированию целой работающей клетки. Развитие лучших моделей будет зависеть от данных исследований реальных клеток. Эти данные предоставляют основу для улучшения компьютерных моделей и предлагают реальный тест способности in silico клеток воссоздавать поведение живых.