《Cells》3D模拟活的“最小细胞”的行为

　　

科学家们报告说，他们已经构建了一个活的“最小细胞”，其基因组被剥离到最基本的部分——以及一个反映其行为的细胞计算机模型。通过改进和测试他们的模型，科学家们说他们正在开发一个系统，用于预测活细胞的基因组、生活条件或物理特性的变化将如何改变它们的功能。

研究结果发表在《Cells》杂志上。

最小的细胞的基因组是被削减的，这些基因携带了复制DNA所必需的基因，生长、分裂和执行大部分定义生命的其他功能。伊利诺伊大学（Unina）香槟分校的化学教授Zaida（ZAN）Luthey Schulten说，他与研究生Zane Thornburg一起领导这项研究。Luthey Schulten说：“新的是，我们开发了一个三维、完全动态的最小活细胞动力学模型，模拟实际细胞中发生的事情。”

该模拟在原子尺度上绘制出三维空间中数千种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互接触所需的时间，发生化学反应时会发生什么类型的化学反应，以及每一步需要多少能量。

为了构建最小的细胞，科学家们转向了最简单的活细胞——支原体，一种寄生于其他生物体的细菌。在以前的研究中，JCVI团队构建了一个合成基因组，尽可能多地缺失非必需基因，并在富含维持细胞所需营养和因子的环境中生长细胞。在这项新的研究中，研究小组补充了一些基因以提高细胞的生存能力。这种细胞比任何自然产生的细胞都要简单，因此更容易在计算机上建模。

Luthey Schulten说，模拟像活细胞一样巨大复杂的东西需要几十年的研究数据。为了建立计算机模型，她和伊利诺伊州的同事们必须考虑细胞DNA的物理和化学特征：脂质、氨基酸、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在细胞中扩散，跟踪细胞生命周期中每一步所需的能量。使用NVIDIA图形处理单元进行模拟。

Thornburg说：“我们根据对最小细胞的了解建立了一个计算机模型，然后进行了模拟。我们还检查了模拟细胞的行为是否与真实细胞一样。”

Luthey Schulten说，模拟让研究人员深入了解了实际细胞如何“平衡代谢、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细胞膜。Luthey Schulten说，这是有道理的，因为支原体从其他生物体获得了生存所需的大部分。

模拟还使Thornburg能够计算信使RNA的自然寿命，信使RNA是构建蛋白质的遗传蓝图。他们还揭示了脂质和膜蛋白合成速率与膜表面积和细胞体积变化之间的关系。

Thornburg说：“我们模拟了一个最小细胞内的所有化学反应——从它出生到两小时后分裂。从中，我们得到了一个模型，它告诉我们细胞的行为以及我们如何使其复杂化以改变其行为。”

Luthey Schulten说：“我们开发了一个最小活细胞的三维、全动态动力学模型。我们的模型打开了一个细胞内部工作的窗口，向我们展示了所有成分是如何根据内部和外部线索相互作用和变化的。这个模型——以及其他更复杂的模型——将帮助我们更好地理解生命的基本原理。”

Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell