Создана первая полная компьютерная модель организма

В прорывном достижении для вычислительной биологии исследователи из Стэнфорда сообщили в журнале Cell о создании первой в мире полной компьютерной модели организма.

Команда под руководством профессора биоинженерии Маркуса Коверта использовала данные более чем 900 научных работ, чтобы учесть каждое молекулярное взаимодействие в жизненном цикле Mycoplasma genitalium — самой маленькой свободноживущей бактерии в мире.

Модель, охватывающая весь организм в «кремнии», реализует давнюю цель для этой области. Она не только позволяет исследователям задавать вопросы, которые иначе непрактично изучать, но и представляет собой шаг к использованию автоматизированного проектирования (CAD) в биоинженерии и медицине.

«Это достижение демонстрирует преобразующий подход к ответам на вопросы об основных биологических процессах», — сказал Джеймс М. Андерсон из NIH. Исследование частично финансировалось грантом NIH Director's Pioneer Award.

От информации к пониманию

Основная проблема современной биологии — не недостаток экспериментальных данных, а сложность их осмысления. Большинство экспериментов по-прежнему используют редукционистский подход, тогда как многие вопросы — это результат взаимодействия сотен или тысяч генов.

Интегративные вычислительные модели, объединяющие все данные в одном месте, помогают преодолеть этот разрыв. «Вы по-настоящему не понимаете, как что-то работает, пока не сможете воспроизвести это самостоятельно», — отметил соавтор Джайодита Сангхви.

Выбор организма

Mycoplasma genitalium — паразитическая бактерия с самым маленьким геномом среди свободноживущих организмов — всего 525 генов (для сравнения, у E. coli — 4288). Минимализм её генома сделал её фокусом биоинженерных усилий, несмотря на сложность работы с этим патогеном.

«Цель состояла не только в том, чтобы лучше понять M. genitalium, но и в том, чтобы понять биологию в целом», — сказал соавтор Джонатан Карр.

Даже в таком малом масштабе объём данных, включённых в модель, был огромен. В финальной модели использовалось более 1900 экспериментально определённых параметров.

Архитектура модели

Исследователи смоделировали отдельные биологические процессы как 28 отдельных «модулей», каждый со своим алгоритмом. Эти модули взаимодействовали друг с другом на каждом шаге по времени, создавая единое целое, близко соответствующее реальному поведению бактерии.

Исследование «кремниевой» клетки

Модель позволяет проводить процедуры, сложные для выполнения на реальном организме, и перепроверять экспериментальные данные. В работе она использовалась для изучения динамики ДНК-связывающих белков и идентификации новых функций генов.

Модель также помогла исследовать аспекты поведения клетки, возникающие из множества взаимодействующих факторов. Например, она позволила выдвинуть гипотезу о механизме отрицательной обратной связи, объясняющем, почему общая продолжительность клеточного цикла более стабильна, чем длительность его отдельных стадий.

«Если вы используете модель для планирования экспериментов, вы будете открывать вещи быстрее», — сказал Коверт.

Био-CAD

Большая часть будущих перспектив модели лежит в прикладных областях. CAD революционизировал многие области техники, но из-за неполного понимания биологических систем ещё не нашёл места в биоинженерии.

Подобные вычислительные модели могут привнести рациональное проектирование в биологию, позволив не только планировать эксперименты с помощью компьютера, но и создавать новые микроорганизмы «с нуля». Карр предполагает создание бактерий или дрожжей, специально спроектированных для массового производства фармацевтических препаратов.

Bio-CAD также может привести к прогрессу в персонализированной медицине, хотя эти приложения ещё далеки. «Это потенциально новый проект «Геном человека». Потребуются очень большие усилия научного сообщества, чтобы приблизиться к модели человека», — сказал Карр.