Modeliuodami minimalios bakterinės ląstelės gyvavimo ciklą – nuo DNR replikacijos iki baltymų transliacijos, metabolizmo ir ląstelių dalijimosi – mokslininkai atvėrė naujas kompiuterinės regos galimybes į esminius gyvybės procesus. Tyrėjai, vadovaujami chemijos profesoriaus Zan Luthey-Schulten iš Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign, savo išvadas pristato žurnale „Cell“.
Modeliuojama ląstelė ankstyvosiose dalijimosi stadijose. Kairėje pusėje matyti citoplazma (mėlyni kubeliai), mRNR skaidymo mechanizmo molekulės (rožinė) ir cukraus transporteriai (ruda). Dešinėje pusėje pridėta membrana (žalia) ir ribosomos (geltona/raudona). Autorius: Zane Thornburg Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2026.02.009.
Komanda nanoskalės raiška imitavo gyvą ląstelę ir pakartojo, kaip kiekviena tos ląstelės molekulė elgėsi per visą ląstelės ciklą. Darbas užtruko daugelį metų: buvo panaudoti didžiuliai kompiuteriniai ištekliai, dideli eksperimentiniai duomenų rinkiniai, eksperimentinių ir skaičiavimo metodų rinkinys bei supratimas apie tūkstančių molekulinių vaidmenis, elgesį ir fizinę sąveiką.
Tyrėjai turėjo atsižvelgti į kiekvieną geną, baltymą, RNR molekulę ir cheminę reakciją, vykstančią ląstelėje, kad atkurtų ląstelės įvykių eigą. Pavyzdžiui, jų modelis turėjo tiksliai atspindėti procesus, kurie leidžia ląstelei padvigubėti iki ląstelės dalijimosi.
Kad užduotis būtų lengviau įveikiama, komanda panaudojo gyvą „minimalią ląstelę“, sukurtą J. Craigo Venterio institute Kalifornijoje. Naujajame tyrime naudota ląstelės versija JCVI-syn3A – trumpai „Syn3A“ – yra modifikuota bakterija su sutrumpintu genomu, kurioje yra tik tie genai, kurie reikalingi jos DNR replikacijai, augimui, dalijimuisi ir daugumai kitų funkcijų, kurios leidžia gyvybei atsirasti.
„Tai trimatis, visiškai dinaminis gyvos minimalios ląstelės kinetinis modelis, imituojantis tai, kas vyksta tikroje ląstelėje“, – sakė Luthey-Schulten.
„Toks išsamus darbas buvo įmanomas tik dėl daugelio bendradarbių iš universiteto ir Harvardo medicinos mokyklos, kur mes sistemingai modeliavome esminę medžiagų apykaitą ir kitus subląstelinius tinklus, pradedant nuo 2018 m.“
Minimalios ląstelės kūrimas
Syn3A ląstelėje yra mažiau nei 500 genų, kurie visi yra vienoje žiedinėje DNR grandinėje. Tyrimo bendraautorių Angado Mehtos ir Taekjipo Ha iš Bostono vaikų ligoninės ir Harvardo medicinos mokyklos laboratorijos sukūrė papildomus eksperimentinius duomenis, kurie leido komandai tiksliai imituoti ir patvirtinti daugybę ląstelių funkcijos aspektų.
„Svarbiausia, kad jų darbas atskleidė DNR replikacijos mastą ir tai, kad Syn3A ląstelių dalijimasis yra simetriškas“, – teigė Luthey-Schulten.
Abu veiksniai lėmė ir patvirtino Zane’o Thornburgo, Beckmano pažangiųjų mokslų ir technologijų instituto bei Ilinojaus vėžio centro podoktorantūros stažuotojo, ir Andrew Maytino, Luthey-Schulten laboratorijos magistranto, atliktas simuliacijas.
Kaip ir kitos bakterijų ląstelės, Syn3A neturi branduolio. Kiekviena ją sudaranti ir palaikanti molekulė yra arba jos išorinės membranos komponentas, arba yra pernešama į ją iš išorės, arba yra surinkta citoplazmoje.
Ląstelė yra taip perpildyta molekulinių žaidėjų, kad kurdami didelės skiriamosios gebos kompiuterinių modeliavimų animacijas, tyrėjai turėjo kai kuriuos komponentus padaryti nematomus. Pavyzdžiui, visų ląstelių baltymų padarymas nematomais leido mokslininkams pamatyti, kaip Syn3A chromosoma driekiasi perpildytame ląstelės viduje.
Komanda atrado, kad kai kurie procesai skaičiavimo požiūriu buvo brangesni nei kiti. Pavyzdžiui, Maytinas suprato, kad chromosomų replikacija sulėtino visą simuliaciją iki nuskaitymo ribos, beveik padvigubindamas laiką, reikalingą visam ląstelės ciklui užfiksuoti.
Jis nustatė, kad efektyviam ląstelės DNR replikacijos proceso modeliavimui reikalingas atskiras grafikos procesorius (GPU), o kitas GPU tvarko visą kitą ląstelės dinamiką. Tai leido komandai sumodeliuoti visą 105 minučių ląstelės ciklą vos per šešias kompiuterio darbo dienas.
3D modeliavimo kliūčių įveikimas
Thornburgas ir Maytinas kovojo su iššūkiu imituoti ląstelės įvykius, vykstančius tuo pačiu metu įvairiose ląstelės dalyse.
„Negaliu pervertinti, kaip sunku imituoti judančius dalykus – o tai padaryti 3D formatu visai ląstelei buvo pergalinga“, – sakė Thornburgas. „Viena iš paskutinių didelių kliūčių, kurią mums teko išspręsti, buvo suprasti, kaip membrana ir DNR bendrauja tarpusavyje, kai abi juda.“
Nors imituotas ląstelės ciklas turi savo apribojimų – tai nebuvo atomų po atomo modeliavimas, o vietoj to buvo apskaičiuota atskirų molekulių dinamikos vidurkis – jis davė stebėtinai tikslų ląstelių procesų laiko įvertinimą.
Pakartotinėse simuliacijose, kuriose dalyvavo atskiros ląstelės su šiek tiek skirtingomis pradinėmis sąlygomis, imituotas ląstelės ciklas vidutiniškai įvyko per dvi minutes nuo realaus pasaulio ląstelių ciklo, sakė Thornburg. Darbas buvo pakartotinai kontroliuojamas ir testuojamas pagal realius eksperimentinius rezultatus – šis procesas leido mokslininkams patobulinti savo modeliavimus.
Simuluota ląstelė ankstyvosiose dalijimosi stadijose. Kairėje pusėje matyti membrana (žali kubeliai) ir ribosomos (geltonos/violetinės), susipynusios ląstelės chromosomoje (raudona). Dešinėje pusėje matyti visi baltymai (pilka) ir RNR (oranžinė) ląstelės viduje su nedideliu pjūviu, kuriame matoma antroji ląstelės chromosomos kopija (mėlyna). Nuotraukos autorius: Zane Thornburg. Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2026.02.009.
Naujas langas į gyvąsias sistemas
Gebėjimas tiksliai užfiksuoti nuolat kintančias sąlygas gyvoje ląstelėje atveria naują langą į gyvųjų sistemų pagrindus, sakė Luthey-Schulten.
„Turime visos ląstelės modelį, kuris vienu metu numato daugelį ląstelių savybių“, – sakė ji. „Jei norite sužinoti, kas vyksta, tarkime, nukleotidų metabolizme, taip pat galite pažvelgti į DNR replikaciją ir ribosomų biogenezę. Taigi, modeliavimas gali pateikti šimtų eksperimentų rezultatus vienu metu.“
Tyrimo bendraautoriai taip pat yra Ilinojaus chemijos absolventas Benjaminas Gilbertas ir Johnas Glassas, vadovaujantis J. Craigo Venterio instituto sintetinės biologijos grupei.
Šis darbas buvo atliktas Nacionalinio mokslo fondo Kiekybinės ląstelių biologijos mokslo ir technologijų centre Ilinojaus universitete. Luthey-Schulten taip pat yra fizikos profesorė ir Ilinojaus universiteto Beckmano instituto profesorė. Tyrimas buvo atliktas naudojant pažangius skaičiavimo ir duomenų išteklius „Delta“. „Delta“ yra bendras Ilinojaus universiteto ir Nacionalinio superkompiuterių taikymų centro projektas.
Bringing the Genetically Minimal Cell to Life on a Computer in 4D, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.02.009. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00174-1
Journal information: Cell