바다 깊이의 기괴한 생물에서 우리 몸의 박테리아에 이르기까지 지구의 모든 생명체는 세포로 구성됩니다. 그러나 우리는 그 세포의 가장 단순한 기능조차도 매우 대략적인 아이디어를 가지고 있습니다.
이제 세포에서 최근에 기술 된 바와 같이 , 일리노이 대학교, Urbana-Champaign 팀과 동료들은 살아있는 세포에서 가장 완벽한 컴퓨터 시뮬레이션을 만들었습니다. 이 디지털 모델을 통해 생물 학자들은 자연의 제약을 통해 터져서 가장 기본적인 삶의 진드기가 어떻게 진드기와 다르게 틱하면 어떻게 될지에 대한 탐구를 가속화 할 수 있습니다.
Zaida (Zan) Luthey-Schulten은 일리노이 대학교에서 시뮬레이션을 수행하는 그룹을 이끌었던 Zaida (Zan) Luthey-Schulten은“하나의 시뮬레이션에서 할 수 있다고 상상해보십시오. 이 모델을 사용하여 그녀와 그녀의 동료들은 이미 모델링 된 세포의 생리학 및 생식주기에 대해 놀라운 발견을했으며 시뮬레이션은 계속해서 추가 실험을위한 아이디어 생성기 역할을합니다.
.연구에 참여하지 않은 미네소타 대학교의 합성 생물 학자이자 조교수 인 케이트 아 다말라 (Kate Adamala)는“이것은 우리가 생화학 적 반응이나 인공 시스템뿐만 아니라 전체 살아있는 세포뿐만 아니라 전체 복잡한 시스템의 신진 대사를 정말로 신중하게 계산할 수있는 것은 이번이 처음이다. 수년 동안 과학자들은 전체 세포를 모델링하고 생물학을 정확하게 예측하려고 시도했지만 대부분의 세포가 너무 복잡하기 때문에 부족했습니다. Adamala는“레고 벽돌이 어떤 것에 들어가는 지 모른다면 모델을 구축하기가 어렵다”고 Adamala는 말했다.
그러나 일리노이 그룹이 협력하고있는 세포는 다른 세포보다 유전자가 훨씬 적어 생리학이 더 쉽게 배관되어 모델에 이상적인 플랫폼이됩니다.
.문제의 세포는 생명과 비 생명 사이의 경계에 시달리고 제한된 수의 유전자를 운반하는 실험실에서 만든“최소 세포”이며, 대부분 생존에 필요합니다. 이 매우 기본적인 세포 내에서 발생하는 알려진 생화학 적 과정을 복제하고 모든 영양소, 폐기물, 유전자 제품 및 기타 분자를 3 차원으로 추적함으로써, 시뮬레이션은 과학자들이 가장 간단한 생명체가 어떻게 유지되고 삶의 일부 뼈 요구 사항을 드러내는지를 이해하는 데 더 가깝게됩니다.
.이 발견은 더 복잡하고 중요한 천연 세포 모델을 구축하는 데 스테핑 스톤입니다. 과학자들이 결국 공통 장 박테리아의 똑같이 상세한 시뮬레이션을 만들 수 있다면 대장균 예를 들어,“우리의 모든 바이오 제조는 e에서 실행되기 때문에 절대적인 게임 체인저가 될 것입니다. coli Adamala가 말했다.
디지털 라이프
팀이 모델링 한 최소 세포 인 JCVI-SYN3A는 J. Craig Venter Institute의 합성 생물 학자들이 개발하고 Science 에 발표 한 업데이트 된 버전입니다. 2016 년. 그 게놈은 매우 간단한 박테리아 mycoplasmas mycoides 의 게놈에 따라 설계되었습니다. 그러나 프로젝트의 과학자들이 체계적으로 결정한 유전자가 생명에 필수적이지는 않았습니다. JCVI-SYN3A는 493 개의 유전자로, 박테리아 영감 수의 약 절반, e만큼 약 1/8만이됩니다. coli
간단하지만 셀은 여전히 수수께끼입니다. 예를 들어, 세포없이 죽는 것을 제외하고는 94 개 유전자 중 94 명이 무엇을하는지 아무도 모른다. 그들의 존재는 새로운 연구의 공동 저자이자 Venter Institute의 합성 생물학 그룹의 리더이자 2016 년에 최소한의 셀을 개발 한 팀의 일부인 John Glass는“과학에 필수적인 생활 과제 나 기능이있을 수있다”고 말했다.
새로운 모델을 구축하기 위해 일리노이 대학교의 팀은 다양한 분야에서 많은 연구 결과를 얻었고 함께했습니다. 그들은 유기 기계를 정확하게 배치하기 위해 최소 셀의 플래시 프로젠, 얇은 슬라이스 이미지를 사용했습니다. 대규모 단백질 분석을 통해 내부에 알려진 모든 단백질을 모두 뿌릴 수 있었으며 독일 드레스덴 기술 대학 (Dresden University of Technology)의 공동 저자가 제공하는 세포막의 화학적 조성물에 대한 자세한 분석이 외부에 올바르게 분자를 배치하는 데 도움이되었습니다. 세포 생화학의 철저한지도는 분자의 상호 작용에 대한 규칙 책을 제공했습니다.
디지털 세포가 성장하고 분열되면서 수천 개의 시뮬레이션 된 생화학 적 반응이 발생하여 모든 분자가 시간이 지남에 따라 어떻게 행동하고 변화했는지를 보여줍니다.
시뮬레이션은 배양에서 살아있는 JCVI-SYN3A 세포의 많은 측정을 반영했습니다. 그러나 그들은 또한 세포가 에너지 예산을 어떻게 끌어내는 방법과 메신저 RNA 분자가 얼마나 빨리 분해되는지와 같이 실험실에서 아직 눈에 띄지 않은 세포의 특성을 예측했다. 사실은 세포가 유전자를 조절하는 방법에 대한 연구원의 이해에 비판적으로 영향을 미친다.
.가장 놀라운 발견 중 일부는 JCVI-SYN3A 세포의 빠른 성장과 분열에 관한 것입니다. 시뮬레이션은 세포가 트랜스 알 돌라 제 (Transaldolase)라고 불리는 효소가 필요하다는 것을 보여주지 않았지만 아무도 존재하지 않는 것으로 보인다. 세포는 효소를 불필요하게 만드는 대사 경로를 발전 시켰거나“우리는 그러한 효소가있을 가능성이 있지만 일반 트랜스 알 돌라 제처럼 보이지 않을 것”이라고 Glass는 말했다.
그와 그의 팀은이 미스터리 분자를 찾기위한 실험을 계획하고 있으며 모델의 다른 예측 중 일부를 계속 테스트하고 있습니다. 예를 들어, 두 개의 비 필수 효소에 대한 유전자를 추가하여 세포 분열 사이의 시간을 단축 할 수 있음을 이미 확인했습니다.
.남아있는 미지의 남은
모든 시뮬레이션의 데이터가 실험 데이터와 동의 한 것은 아니며,이 모델에는 유전자의 94 개 기능과 같은 중요한 차이가 있습니다. 또한이 모델은 근본적으로 생화학 적이지만,“세포를 완전히 이해하려면 세포의 모든 원자 또는 분자의 모든 힘과 상호 작용을 모델링해야합니다.”라고 Glass는 말했습니다.
그는 Stanford University의 화학 공학 부교수 인 Roseanna Zia와 잠재적 인 협력을 논의하여 물리학이 세포 내부의 상호 작용을 유도하는 방법을 조사하는 JCVI-SYN3A의 생물 물리학 적 모델을 구축하기 위해 논의하고 있습니다.
.모든 모델에는 결점이 있지만“이 연구에서하고있는 일은 너무 어렵고 야심이 많습니다. "이것은 우리가 할 수있는 것보다 상상할 수있는 것에 의해 우리가 더 제한되는 것과 거의 같습니다."
.충분한 모델을 사용하면 연구원들은 창의력을 발휘할 수 있어야합니다. 생화학 적 경로를 가지거나 여분의 분자를 떨어 뜨리거나 다른 환경에서 시뮬레이션을 설정하면 어떻게되는지 알 수 있습니다. 결과는 세포가 생존 해야하는 과정과 그렇지 않은 과정에 대한 더 많은 통찰력을 제공해야합니다. 그들은 심지어 최초의 세포가 수십억 년 전에 요구하는 것에 대해 엿볼 수도 있습니다.
Luthey-Schulten과 그녀의 팀은 곧 모델을 사용하여 삶의 최소 원칙에 대한 더 깊은 질문을 조사하기를 희망합니다. 그러나 지금은 모델이 이미 제공 한 데이터를 살펴보고 있습니다. Luthey-Schulten은“이 최소한의 셀을 컴퓨터에 올려 놓고 생명을 불어 넣고 심문을 시작할 수있는 성과만으로도 흥미 진진한 일입니다.
