Виртуальная клетка: компьютерная модель организма
Биоинженер Маркус Коверт, PhD, в ближайшие месяцы представит первую целостную компьютерную модель живого организма — «виртуальную клетку». Это позволит ускорить биологические исследования, которые сегодня требуют долгой и дорогой работы с реальными клетками.
Моделируемый организм: Mycoplasma genitalium — паразит, передающийся половым путем. Он выбран из-за простоты: у него всего 521 кодирующая область ДНК, из которых биологам понятны около 420.
Текущий прогресс: На начало 2010 года модель Коверта включала более 300 кодирующих областей, то есть около 75% известных данных об этом организме. Этого уже достаточно, чтобы задавать биологически значимые вопросы, например, о причинах его медленного роста.
Цели и финансирование: Успех с этой моделью заложит основу для моделирования более сложных организмов, таких как дрожжи и E. coli. В октябре 2009 года Коверт получил премию NIH Director’s Pioneer Award в размере $2.5 млн на 5 лет для разработки моделей и исследований.
Преимущества моделирования: Компьютерные модели, подобные тем, что используют авиаконструкторы или физики, позволяют проводить эксперименты быстрее, дешевле и безопаснее. Ещё будучи постдоком в лаборатории нобелевского лауреата Дэвида Балтимора, Коверт за 6 месяцев создал модель сигнальной системы клетки, что помогло выявить ключевые причины и следствия в реакции организма на бактериальную инфекцию.
Сложность интеграции: Новая модель — целостная. Она объединяет множество клеточных систем (транскрипцию, трансляцию, метаболизм, регуляцию генов и др.), что даст платформу для исследования широкого круга вопросов, включая старение клеток и связь низкокалорийного питания с долголетием.
Математический подход: В отличие от других групп, Коверт считает, что разные клеточные сети (сигнальная, метаболическая, регуляции генов) работают принципиально по-разному и требуют индивидуального математического описания. Его метод, опубликованный в 2008 году в Bioinformatics, интегрирует их с помощью булевой алгебры, линейной оптимизации и обыкновенных дифференциальных уравнений.
Интерфейс: Параллельно с моделью создаётся графический интерфейс с «приборной панелью», визуализирующей процессы в клетке. Он позволит исследователям легко изменять параметры, например, удалять кодирующие области для экспериментов. Прототип интерфейса, отображающий рост и деление дрожжевой клетки на реальных данных, уже существует.
«Для меня это мечта», — говорит Коверт. Его команда создала обширную базу данных, дающую беспрецедентный взгляд на работу клетки. Вскоре эта симуляция может стать доступным инструментом для всех биологов.