жизнь бактерий

В идеальном будущем вычислительная биология позволит заменить изнурительные лабораторные тесты мгновенными расчетами внутри компьютерных процессоров. И хотя до оцифровки многоклеточных организмов еще далеко, группа исследователей из Университета Иллинойса в коллаборации с институтом Дж. Крейга Вентера представила единственную полноценную виртуальную 4D-модель клетки, которая потребляет энергию, копирует ДНК и делится прямо внутри кремниевого процессора.

В качестве объекта моделирования ученые выбрали бактерию с минимальным для жизнедеятельности геномом JCVI-syn3A. Из его генома выбросили всё лишнее, оставив лишь 493 гена, без которых жизнь физически невозможна. Такой выбор был сделан не случайно. Смоделировать эукариотическую клетку человека с ядром сейчас — задача почти непосильная даже для суперкомпьютеров. Но минимальная клетка с базовым набором генов стала идеальным полигоном, чтобы понять, можем ли мы вообще оцифровать жизнь.

Схемы биологических процессов в учебниках показаны чисто и аккуратно, где органеллы и метаболиты аккуратно расставлены по местам. Но симуляция показала, что внутри клетки царит невероятная теснота: цитоплазма настолько плотно набита белками, молекулами РНК и метаболитами, что это больше напоминало кашу, чем динамичную схему. Чтобы разглядеть в этом молекулярном винегрете кольцевую хромосому, несущую генетический код, исследователям пришлось программно сделать невидимыми тысячи других белков. Только тогда стало видно, как длинная нить ДНК извивается и протискивается сквозь толпу молекул, взаимодействуя с клеточной мембраной.

Одним из самых сложных вызовов стал расчет взаимодействия между мягкой, постоянно меняющейся мембраной, с жесткой спиралью ДНК. По словам ученых, моделирование химического диалога между мембраной и ДНК в реальном времени стало вычислительным триумфом их исследования.

Интересно, что компьютерная жизнь столкнулась с теми же ограничениями, с какими сталкивается реальная клетка — нехваткой ресурсов. Процесс копирования хромосомы оказался настолько тяжел для вычислений, что он тормозил всю виртуальную клетку. В итоге разработчики выделили для репликации ДНК отдельный графический процессор, в то время как второй видеочип пересчитывал все остальное: метаболизм, транспорт сахаров, синтез белков и т.д. Благодаря такому разделению труда 105 минут клеточной жизни удалось уместить в шесть дней непрерывной работы суперкомпьютера.

Когда результаты симуляции сравнили с живыми бактериями в лаборатории, выяснилось, что погрешность составляет лишь две минуты. Модель подтвердила то, о чем биологи спорили годами: что деление у Syn3A происходит строго симметрично.

Но зачем тратить годы на создание цифрового двойника крошечной бактерии? Руководитель исследования объясняет, что так ученые получат инструмент, способный заменить сотни лабораторных экспериментов. Вместо того чтобы годами выращивать культуры бактерий, пытаясь понять, как изменение одного гена повлияет на метаболизм, ученые смогут поменять пару строк кода в симуляции и сразу увидеть эффект на стадиях жизни.

Так, биологи могут заглянуть в те процессы, которые невозможно увидеть в микроскоп, и провести эксперименты, которые раньше были невозможны физически. Это первый шаг к превращению биологии из науки описательной в науку созидательную. Мы учимся заглядывать в процессы, которые не видит ни один микроскоп, чтобы в будущем предсказывать поведение живых систем.