Создана компьютерная модель организма

В биологии за последние два десятка лет значительно увеличилось количество высокопроизводительных исследований, дали огромное количество информации о клетке. Недостаток экспериментальных данных больше не будет ограничивающим фактором для исследователей. Зато, нужно разобраться, как использовать уже известные данные.

Однако большинство биологических экспериментов до сих пор подвержены редукционистскому подходу в работе с этим широким полем данных: взять один ген и посмотреть, что происходит.

«Много вопросов, в которых мы заинтересованы, не являются проблемами одного гена, — говорит Коверт. — Они комплексным результатом взаимодействия сотен тысяч генов».

Следствием этого стала пропасть между информацией и пониманием, которую можно преодолеть только «собрав все данные вместе и посмотрев, как они друг к другу подходят», согласно словам Стэнфордского аспиранта-биоинженера и первого соавтора Джайодиты Сангви.

Интегративные вычислительные модели проясняют собранные данные, огромный объем которых уже вышел за пределы человеческого понимания.

«Вы действительно не понимаете, как что-то работает, пока не сделаете это сами», — говорит Сангви.

Mycoplasma genitalium — это скромная бактерия-паразит, преимущественно известна своим присутствием в урогенитальных и дыхательных путях человека. Однако патоген также отличается тем, что имеет наименьший геном из всех живых организмов — лишь 525 генов, однако 4 288 E. coli, более традиционная лабораторная бактерия.

Несмотря на сложность работы с этим паразитом, передающимся половым путем, минимализм его генома привлек к нему внимание некоторых последних биоинженерных исследований. Среди них, в частности, синтез первых синтетической хромосомы, который состоялся в 2009 году в Институте Крейга Вентера.

«Целью было не только лучше понимать M. genitalium », — говорит первый со-автор и стэнфордский аспирант-биофизик Джон Карр. — Мы также хотели понять общие принципы биологии».

Даже имея такие небольшие размеры, количество данных, которые собрали в виртуальной клеток Стэнфордские исследователи впечатляют. Окончательная модель создана на основе более 1 900 экспериментально определенных параметров.

Для того, чтобы собрать отдельные точки данных в единый механизм, исследователи смоделировали индивидуальные биологические процессы как 28 отдельных «модулей», каждый из которых управляется своим отдельным алгоритмом. Эти модули связываются между собой в каждый момент времени, образуя единое целое, очень близко к естественной поведения M. genitalium.

Полностью оцифрована клетка позволяет создать процессы, которые трудно выполнить в обычном организме, а также дает возможность воспроизвести экспериментальные данные.

В статье модель используется для демонстрации ряда этих возможностей, включая детальные исследования динамики ДНК-связывающих белков и идентификацией новых функций гена.

Программа также позволяет исследователям рассмотреть различные аспекты поведения клеток, возникающих из множества факторов взаимодействия.

Исследователи отметили, в частности, длительность отдельных этапов в цикле клетки может отличаться в разных клетках, тогда как продолжительность всего цикла в целом будет гораздо более похожей. Обратившись к модели, исследователи выдвинули гипотезу, что малое количество вариаций в общем цикле клетки являются результатом встроенного механизма отрицательной обратной связи.

Клетки, дольше ждут перед репликацией ДНК есть время собрать большое количество свободных нуклеотидов. Поэтому собственно этап репликации, где используются эти нуклеотиды для формирования новых ДНК проходит быстро. Клетки, прошедшие первый этап скорее наоборот, не имеют избытка нуклеотидов. Наконец репликация замедляется до скорости выработки нуклеотидов.

Результаты такого типа остаются гипотезами, пока не будут подтверждены практическими экспериментами, однако они обещают ускорить научные исследования.

Bio-CAD

CAD, т.е. система автоматизированного проектирования, создала революцию во всех областях, начиная от аэронавтики до гражданского строительства, сильно сократив этап проб и ошибок в разработке макета. Однако наше недопонимание даже простейших биологических систем означает, что CAD не может найти свое применение в биоинженерии.

Цифровые модели, как модель M. genitalium могут привести к рациональному дизайну в биологии — позволив не только использовать компьютерные экспериментальные варианты, но и полностью создавать новые микроорганизмы.

Хотя считается, что подобные модели более послушны для проведения экспериментальных исследований, Карр считает, что такие бактерии или дрожжи могут быть специально разработаны для массового производства фармацевтических материалов.

Bio-CAD также может иметь неплохие успехи в медицине — особенно в области персонализированной медицины. Однако до такого использования еще очень далеко, добавляют исследователи.
«Это потенциально новый проект человеческого генома, — говорит Карр. — Но нам понадобятся очень значительные усилия от общества для создания человеческой модели».

29.04.2015

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий