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从海洋深处的奇异生物到人类身体里的细菌 ， 地球上所有的生命都是由细胞组成的 。 但即使是最简单的细胞 ， 我们对它们的功能也只有一个粗略的了解 。 现在正如最近在《细胞》（Cell）杂志上所描述的 ， 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一个团队创造了迄今为止最完整且有生命活动细胞的计算机模拟 。 有了这个数字模型 ， 生物学家可以突破大自然的限制 ， 加速探索细胞这个最基本的生命单位是如何运转的 ， 以及如果它的运转方式不同会发生什么奇妙的事情 。
随着最小细胞JCVI-syn3A的生长和分裂 ， 该模型跟踪细胞成分的运动和相互作用 ， 包括它的核糖体(黄色球体)和特定的膜复合物和蛋白质(红色、蓝色和绿色球体) ， 所有这些都包裹在它的细胞膜(绿色立方体)内
该研究的主要作者路德-舒尔滕说:“想象一下 ， 能够从一个模拟中重现需要很多很多实验才能完成的结果 ， 这将是多么振奋人心的进步 。 ”利用这个计算机模型 ， 她和她的同事们已经在他们的细胞生理和繁殖周期方面有了惊人的发现 ， 并且这个模拟将继续为后续进一步的实验提供灵感 。
简单但重要的原始细胞
【利用计算机的细胞模拟探查生命的潜在规则】“第一次 ， 科学家可以用一个很精确的计算方法去研究整个细胞系统的新陈代谢——不仅仅是一个生化反应或一个人工系统 ， 而是整个活细胞” 明尼苏达大学助理教授生物学家凯特-安德玛拉说 。 多年来 ， 科学家们一直试图建立整个细胞的模型 ， 并准确预测它们的生物学特性 ， 但由于大多数的细胞过于复杂 ， 他们都未能达到预期效果 。 安德玛拉说:“如果你不知道每块乐高积木是做什么用的 ， 就很难搭建出一个乐高模型 。 ”
细胞的示意图
但是伊利诺斯州的研究小组研究的细胞非常简单 ， 比其他细胞的基因少得多 ， 所以它的生理机能更容易被探测 ， 这使得它成为一个理想的模型平台 。 研究中的细胞是实验室所能制造的最小“原始细胞” ， 携带有限数量的基因 ， 其中大多数是生存所必需的 。 通过模拟发生在这个细胞内的已知生化过程 ， 并以三维的方式跟踪在细胞内移动的营养物质、废物、基因产物和其他分子 ， 可以让科学家们更容易理解这种最简单的生命形式是如何维持自身生命活动的 ， 并揭示了生命的潜在规则 。
这些发现是建立更复杂和更有意义的自然细胞模型的基石 。 例如 ， 如果科学家最终能够建立一个同样详细的模型来模拟一种常见的肠道细菌——大肠杆菌 ， “那将是绝对的游戏规则改变者 ， 因为我们所有的生物和医学制品的制造都是利用大肠杆菌作为载体进行的 ， ”阿达玛拉说 。
制造数字生命
该团队模拟的最小细胞被命名为JCVI-syn3A ， 是由克雷格·文特尔研究所合成生物学家开发的细胞更新版本 ， 该细胞于2016年发表在《科学》(Science)杂志上 。 它的基因组是在一种非常简单的细菌基因组基础上设计得到的 ， 但是去掉了科学家已经确定不是生命所必需的基因 。 JCVI-syn3A细胞仅拥有493个基因 ， 大约是其来源细菌基因数量的一半 ， 大肠杆菌基因的八分之一 。
虽然这种细胞很简单 ， 但它仍然是个谜 。 例如 ， 没有人知道JCVI-syn3A细胞中特别94个基因的作用 ， 尽管科学家发现没有它们细胞就会死亡 。 “这是我们第一次真正仔细地用计算方法观察整个复杂系统的新陈代谢——不仅仅是一个生化反应或一个人工系统 ， 而是整个活细胞” ， 凯特-安德玛拉说道
为了建立这个新模型 ， 伊利诺伊大学的研究小组从各个领域收集了大量的发现 ， 并将它们结合在一起 。 他们利用最小细胞的快速冷冻薄片图像来精确定位其有机结构 ， 大量的蛋白质分析帮助他们获得已知正确蛋白质的位置 ， 德国德累斯顿科技大学合著者提供的细胞膜化学成分详细分析帮助他们将有机分子正确地放置在细胞外部 ， 细胞生物化学的完整图谱为分子间的相互作用提供了指导手册 。
常规的细胞分裂过程 ， 可以利用计算机进行模拟
随着数字细胞的生长和分裂 ， 成千上万的模拟生化反应发生了 ， 揭示了每个分子的行为和随时间的变化 。 这种模拟反映了许多在培养中的活体JCVI-syn3A细胞的测量结果 ， 但科学家也预测了尚未在实验室中被注意到的细胞特征 ， 例如如细胞如何分配其能量使用和mRNA分子降解的速度 ， 这些问题严重影响了研究人员对细胞生命活动的理解 。
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