3D“最小活细胞”模拟细胞内部运作

2022年01月24日 09:09 次阅读 稿源:中国科技网 条评论

据最新一期《细胞》杂志报道,美国科学家建立了一个基因组被剥离到了最基本要素的“最小活细胞”,以及一个反映其行为的细胞计算机模型。通过改进和测试该模型,科学家们表示正在开发一个用于预测基因组、生命条件或活细胞物理特性的变化将如何改变其功能的系统。

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美国伊利诺伊大学厄巴纳分校化学教授赞达·露西—舒尔滕说,最小细胞具有精简的基因组,这些基因组携带有复制DNA、生长、分裂和执行大多数其他定义生命的功能所必需的基因。研究人员说:“此处的新奇之处在于,我们开发了一个3D、完全动态的最小活细胞动力学模型,该模型模拟了实际细胞中发生的情况。”

该模拟以原子尺度绘制出3D空间中数千个细胞成分的精确位置和化学特征。它跟踪这些分子在细胞中扩散并相遇需要多长时间,当它们扩散时会发生什么样的化学反应,以及每一步需要多少能量。

为了构建最小细胞,美国加州克雷格·文特研究所(JCVI)科学家们转向最简单的活细胞支原体,这是一种寄生于其他生物体的细菌。在之前的研究中,JCVI团队构建了一个合成基因组,并在富含细胞维持所需的所有营养和因素的环境中培养细胞。对于这项新研究,该团队添加了部分基因以提高细胞的活力。该细胞比任何天然细胞都简单,因此更容易在计算机上建模。

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舒尔滕说,模拟像活细胞这样巨大而复杂的东西依赖于数十年研究的数据。为了建立计算机模型,研究人员必须考虑细胞DNA、脂质、氨基酸的物理和化学特性,以及基因转录、翻译和蛋白质构建机制。他们还必须模拟每个成分如何通过细胞扩散,跟踪细胞生命周期中每个步骤所需的能量。

这些模拟让研究人员深入了解了细胞如何“平衡其新陈代谢、遗传过程和生长的需求”。例如,该模型显示,细胞利用其大部分能量将必需的离子和分子导入其细胞膜。这是因为支原体从其他生物体中获得了生存所需的大部分物质。

研究人员表示,该模型模拟了一个最小细胞内从其出生到两小时后分裂的所有化学反应。这个最小活细胞的3D、全动态动力学模型打开了一扇了解细胞内部运作的窗口,展示了所有细胞成分是如何响应内部和外部线索相互作用和变化的,将帮助研究人员更好地理解生命的基本原则。

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