Simularea celulei JCVI / sursa foto: captură video
Din cuprinsul articolului
O echipă de cercetători a reușit să realizeze, pentru prima dată, o simulare computerizată care reproduce aproape fiecare reacție chimică ce are loc într-o celulă bacteriană vie, potrivit publicației Nature.
Modelul digital urmărește modul în care celula virtuală își copiază materialul genetic și se divide în două, replicând astfel procese esențiale ale vieții la nivel microscopic.
Studiul, publicat pe 9 martie în revista Cell, oferă cercetătorilor un nou instrument pentru a analiza modul în care numeroasele molecule din interiorul unei celule interacționează și contribuie la funcționarea organismelor vii.
Potrivit lui Zane Thornburg, biofizician computațional la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign și coautor al cercetării, simularea ar putea ajuta la înțelegerea mecanismelor fundamentale ale vieții. „Simularea ar putea ajuta cercetătorii să înțeleagă cum amestecul interacționant de proteine, acizi nucleici, grăsimi și alte molecule din peretele unei celule dă naștere vieții reale”, a explicat acesta.
Celulă bacterienă minimală, modelată de cercetători
Pentru a construi simularea, cercetătorii au ales un organism considerat printre cele mai simple exemple de viață bacteriană: o celulă cu genom minimal. Organismul utilizat, denumit JCVI-Syn3a, a fost creat anterior prin reducerea genomului bacteriei parazite Mycoplasma mycoides.
Prin eliminarea a peste 400 de gene considerate neesențiale, genomul a fost redus la doar 493 de gene. Această structură simplificată a făcut ca organismul să fie un model potrivit pentru studierea mecanismelor fundamentale ale funcționării celulare.
Pornind de la acest sistem biologic minimal, echipa a realizat o simulare tridimensională care urmărește dinamica moleculelor din interiorul celulei. Modelul include ADN-ul, proteinele, ribozomii și alte componente esențiale, reprezentate astfel încât să reflecte schimbările care au loc în timp.
În simulare, anumite molecule respectă reguli bazate pe măsurători experimentale din lumea reală. De exemplu, enzima responsabilă de copierea ADN-ului funcționează conform datelor biologice cunoscute, iar reacțiile chimice sunt declanșate atunci când moleculele care interacționează ajung suficient de aproape în spațiul virtual.
Ajustări necesare pentru funcționarea simulării
Deși modelul încearcă să reproducă procese biologice reale, cercetătorii au fost nevoiți să simplifice unele elemente. Funcțiile câtorva zeci de gene din genomul JCVI-Syn3a nu sunt încă cunoscute, astfel că acestea au fost reprezentate în simulare ca sfere inerte.
De asemenea, modelul a inclus o altă simplificare: fiecare transcript de ARN mesager putea fi utilizat de un singur ribozom pentru producerea proteinelor. În celulele reale, mai mulți ribozomi pot utiliza simultan același transcript.
Simulare diviziune celulă JCVI / sursa foto.captură video
Obiectivul echipei a fost să simuleze întregul ciclu celular — perioada necesară pentru ca ADN-ul să fie copiat și pentru ca celula să se dividă în două.
Primele încercări au întâmpinat dificultăți. „Unele încercări timpurii au eșuat”, a spus Thornburg, explicând că genomul simulat se degrada mai rapid decât putea fi replicat sau chiar ieșea din membrana celulară virtuală.
După o serie de ajustări, cercetătorii au lăsat simularea să ruleze pe un supercomputer și au revenit ulterior pentru a verifica rezultatele.
„Ne-am întors și, dintr-o dată, un întreg ciclu celular a funcționat”, a relatat Thornburg. „Dintr-o dată, a fost un salt uriaș.”
O simulare apropiată de procesele reale a unei celulă bacteriene
Rezultatele modelului au reflectat mai multe caracteristici observate în celulele reale. De exemplu, simularea a arătat cum forma celulei se modifică treptat, umflându-se și alungindu-se înainte de diviziune.
În model, procesul complet de divizare a durat 105 minute, un interval foarte apropiat de cel observat în experimentele biologice. Thornburg a descris această coincidență drept „înfricoșător de apropiată” de durata reală a ciclului celular.
Simularea acestor 105 minute de viață celulară a necesitat însă aproximativ șase zile de calcul pe un supercomputer, ceea ce evidențiază complexitatea ridicată a modelării digitale a proceselor biologice.
Simulare diviziune celulară / sursa foto: captură YouTube
Bernhard Palsson, bioinginer la Universitatea din California, San Diego, consideră că rezultatul reprezintă un pas important pentru cercetarea în domeniu. „A face ca toate aceste procese să se comporte coerent în timpul ciclului celular este o provocare majoră”, a declarat acesta.
Posibile aplicații pentru cercetarea biologică
O simulare de acest tip ar putea deveni un instrument util pentru studiul funcționării celulelor, deoarece permite observarea interacțiunilor dintre mii de molecule într-un mediu controlat. Cercetătorii ar putea folosi astfel de modele pentru a testa ipoteze despre funcțiile genelor sau despre modul în care diferite procese celulare se influențează reciproc.
În viitor, dezvoltarea unor simulări mai detaliate ar putea contribui la înțelegerea mecanismelor fundamentale ale vieții și la dezvoltarea unor noi direcții de cercetare în biologie și bioinginerie.
