3D“最小活细胞”模拟细胞内部运作

科技日报北京1月23日电 （记者张梦然）据最新一期《细胞》杂志报道，美国科学家建立了一个基因组被剥离到了最基本要素的“最小活细胞”，以及一个反映其行为的细胞计算机模型。通过改进和测试该模型，科学家们表示正在开发一个用于预测基因组、生命条件或活细胞物理特性的变化将如何改变其功能的系统。

美国伊利诺伊大学厄巴纳分校化学教授赞达·露西—舒尔滕说，最小细胞具有精简的基因组，这些基因组携带有复制DNA、生长、分裂和执行大多数其他定义生命的功能所必需的基因。研究人员说：“此处的新奇之处在于，我们开发了一个3D、完全动态的最小活细胞动力学模型，该模型模拟了实际细胞中发生的情况。”

该模拟以原子尺度绘制出3D空间中数千个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遇需要多长时间，当它们扩散时会发生什么样的化学反应，以及每一步需要多少能量。

为了构建最小细胞，美国加州克雷格·文特研究所（JCVI）科学家们转向最简单的活细胞支原体，这是一种寄生于其他生物体的细菌。在之前的研究中，JCVI团队构建了一个合成基因组，并在富含细胞维持所需的所有营养和因素的环境中培养细胞。对于这项新研究，该团队添加了部分基因以提高细胞的活力。该细胞比任何天然细胞都简单，因此更容易在计算机上建模。

舒尔滕说，模拟像活细胞这样巨大而复杂的东西依赖于数十年研究的数据。为了建立计算机模型，研究人员必须考虑细胞DNA、脂质、氨基酸的物理和化学特性，以及基因转录、翻译和蛋白质构建机制。他们还必须模拟每个成分如何通过细胞扩散，跟踪细胞生命周期中每个步骤所需的能量。

这些模拟让研究人员深入了解了细胞如何“平衡其新陈代谢、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其细胞膜。这是因为支原体从其他生物体中获得了生存所需的大部分物质。