Учёные создали трёхмерную модель поведения живой «минимальной клетки»

Исследователи сообщили о создании живой «минимальной клетки» с максимально упрощённым геномом и её компьютерной модели, точно отражающей поведение клетки. Уточняя и тестируя модель, учёные разрабатывают систему для прогнозирования того, как изменения в геномах, условиях жизни или физических характеристиках живых клеток повлияют на их функции.

Результаты опубликованы в журнале Cell.

Минимальные клетки имеют сокращённые геномы, несущие гены, необходимые для репликации ДНК, роста, деления и выполнения большинства других функций, определяющих жизнь, — пояснила профессор химии Зайда (Зан) Лутхей-Шультен, руководившая работой вместе с аспирантом Зейном Торнбургом. Новизна в том, что была разработана трёхмерная, полностью динамическая кинетическая модель живой минимальной клетки, имитирующая процессы в реальной клетке.

Симуляция в атомном масштабе отображает точное местоположение и химические характеристики тысяч клеточных компонентов в 3D-пространстве. Она отслеживает время диффузии молекул, их встречи, типы происходящих химических реакций и количество энергии, необходимое для каждого этапа.

Для создания минимальной клетки учёные из Института Крейга Вентера использовали микоплазмы — род простейших паразитических бактерий. Ранее команда создала синтетический геном, лишённый максимального числа несущественных генов, и выращивала клетку в обогащённой среде. В новом исследовании в геном добавили несколько генов для повышения жизнеспособности клетки. Эта клетка проще любой природной, что облегчает её компьютерное моделирование.

Моделирование живой клетки опирается на данные десятилетий исследований. Для построения модели пришлось учесть физико-химические характеристики ДНК клетки, липидов, аминокислот, аппарата транскрипции, трансляции и синтеза белков, а также смоделировать диффузию каждого компонента и энергозатраты на каждом этапе жизненного цикла. Для симуляций использовались графические процессоры NVIDIA.

Модель позволила понять, как реальная клетка балансирует потребности метаболизма, генетических процессов и роста. Например, выяснилось, что клетка тратит большую часть энергии на импорт необходимых ионов и молекул через мембрану, что логично для паразитических микоплазм.

Симуляции также позволили рассчитать естественный срок жизни матричной РНК (мРНК) и выявили взаимосвязь между скоростью синтеза липидов и мембранных белков и изменениями площади мембраны и объёма клетки.

«Мы смоделировали все химические реакции внутри минимальной клетки — от её рождения до деления через два часа. Это даёт модель, показывающую, как клетка ведёт себя и как её можно усложнить, чтобы изменить это поведение», — сказал Торнбург.

«Наша модель открывает окно во внутреннюю работу клетки, показывая, как все компоненты взаимодействуют и меняются в ответ на внутренние и внешние сигналы. Эта и будущие, более сложные модели помогут лучше понять фундаментальные принципы жизни», — заключила Лутхей-Шультен.