Cell：在三维空间中模拟活的最小细胞的行为

2022年1月31日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和克雷格-文特尔研究所研究所的研究人员报道，他们构建出活的“最小细胞”:JCVI-syn3A，其基因组只剩下最基本的要素，与此同时，他们构建出一种反映细胞行为的计算机模型。他们说，通过完善和测试他们的模型，他们正在开发一种系统来预测活细胞的基因组、生存条件或物理特性的变化将如何改变它们的功能。相关研究结果发表在2022年1月20日的Cell期刊上，论文标题为“Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell”。

论文通讯作者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学教授Zaida (Zan) Luthey-Schulten说，最小细胞具有精简的基因组，携带复制它的DNA、生长、分裂和执行定义生命的大多数其他功能所必需的基因。Luthey-Schulten说，“这里的新发现是，我们开发了一种三维的、完全动态的活的最小细胞的动力学模型，模拟实际细胞中发生的事情。”

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2021.12.025。

这种模拟在三维空间中以原子尺度绘制出数千个细胞成分的精确位置和化学特征。它跟踪这些分子需要多长时间才能扩散到细胞中并遇到彼此，当它们相遇时，会发生什么样的化学反应，以及每个步骤需要多少能量。

为了构建最小细胞，克雷格-文特尔研究所研究所（JCVI）的研究人员（下称JCVI团队）转向了最简单的活细胞---支原体，一类寄生于其他生物体的细菌。在以前的研究中，JCVI团队构建出携带一种缺少尽可能多的非必要基因的合成基因组的最小细胞，并在一种富含维持细胞所需的所有营养物和因子的环境中让它生长。在这项新的研究中，该团队添加了一些基因以提高最小细胞的生存能力。这种细胞比任何天然存在的细胞都要简单，使得它更容易在计算机上建模。

Luthey-Schulten说，模拟像活细胞这样巨大和复杂的东西依赖于几十年的研究数据。为了建立这种计算机模型，她和她在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的同事们必须考虑到细胞的DNA、脂质、氨基酸以及基因转录、翻译和蛋白合成复合物的物理和化学特性。他们还必须模拟每种成分如何在细胞中扩散，跟踪细胞生命周期中每个步骤所需的能量。NVIDIA图形处理单元被用来进行模拟。

论文第一作者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究生Zane Thornburg说，“我们根据我们对最小细胞的了解建立了一种计算机模型，然后我们进行模拟。我们检查了我们的模拟细胞是否表现得像真实的东西。”

Luthey-Schulten说，这种模拟让这些作者深入了解了真实的细胞如何“平衡它的代谢、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在其细胞膜上输入必需的离子和分子。Luthey-Schulten说，这是有道理的，因为支原体从其他生物体获得它们生存所需的大部分东西。

这种模拟还使Thornburg能够计算出mRNA的自然寿命，其中mRNA是构建蛋白的遗传蓝图。他们还揭示了脂质和膜蛋白的合成速度与膜表面积和细胞体积的变化之间的关系。

Thornburg说，“我们模拟了最小细胞内部发生的所有化学反应---从它的出生到两小时后的分裂。由此，我们得到了一种模型，它告诉我们细胞的行为方式，以及我们如何让它复杂化以改变其行为。”

Luthey-Schulten说，“我们开发了活的最小细胞的三维、全动态动力学模型。我们的模型为细胞的内部运作打开了一扇窗，向我们展示了所有成分是如何对内部和外部线索进行相互作用和变化的。这种模型和其他更复杂的模型将帮助我们更好地理解生命的基本原则。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Zane R. Thornburg et al. Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2021.12.025.