Создана первая в мире полноценная кибер-модель живого организма

На прошлой неделе учёные из Стэнфордского университета объявили о том, что ими была завершена первая в мире полная компьютерная модель живого организма. Результаты были опубликованы в журнале Cell. Команда исследователей во главе с Маркусом Ковертом, доцентом кафедры биоинженерии в Стэнфордском университете, использовали достижения, описанные более чем в 900 научных работах для того, чтобы учесть в своей модели каждое молекулярное взаимодействие, которое происходит в организме Mycoplasma genitalium, наипростейшей из ныне живущих бактерий.

Охват всей совокупности жизненных функций в рамках компьютерной модели – это давняя цель исследований в этой области. Такая модель является незаменимой в тех случаях, когда вопросы, стоящие перед учёным, могут иметь лишь ответы, полученные на практике. Более того, текущее достижение является первым камешком в полноценном использовании систем автоматизированного проектирования в биоинженерии и медицине.

«Это достижение знаменует изменение подхода к процессу поиска ответов на вопросы о фундаментальных биологических процессах - сказал Джеймс М. Андерсон, руководитель отдела по координированию и планированию программ в Национальном институте здравоохранения. – Комплексные компьютерные модели целой клетки могут способствовать лучшему пониманию нами клеточных функций, что может в свою очередь помочь более эффективно диагностировать болезни»

От информации к пониманию

За последние два десятилетия биология отметилась увеличением общей массы информации, полученной в результате исследований клеток. Отсутствие экспериментальных данных более не является основным ограничивающим фактором для исследований в этой области. Напротив, учёным теперь нужно понять и должным образом систематизировать ту информацию, которая у них уже есть.

«Многие вопросы, которые нас интересуют, совсем не являются делом одного гена – сказал Коверт – Это комплексные результаты взаимодействия сотен или даже тысяч различных генов»

Эта ситуация привела к появлению зияющей дыры между количеством информации и знаниями, которая могла быть заполнена только путём «объединения всех данных в одном месте, чтобы появилась возможность увидеть, как они сочетаются друг с другом».

Так называемые интегративные вычислительные модели работают с множествами данных, огромный размер которых находится за пределами человеческого понимания. Как сказал один из авторов исследования, доктор Шангви, чтобы понять природу чего-то, нужно самому воспроизвести это. Первый шаг уже сделан.

Красота в малом

Mycoplasma genitalium – это простейшие бактерии-паразиты, известные зачастую своим неблагоприятным воздействием на мочеполовую и дыхательную систему человека. Но также эта бактерия известна тем, что имеет наименьший геном из всех ныне живущих организмов – всего 525 генов. Даже кишечная палочка, более традиционный объект лабораторных исследований, имеет 4228 генов.

Несмотря на сложность и непривычность работы с Mycoplasma genitalium, его генный минимализм стал ключевым фактором для нескольких недавних исследований по биоинженерии. В частности, та же бактерия участвовала в синтезе первой в мире искусственной хромосомы в 2008 году.

«Наша цель – не только лучше понять принципы функционирования Mycoplasma genitalium. Наша цель – лучше понять биологические процессы в целом» - сказал Джонатан Карр, аспирант Стэнфордского университета, член команды текущего исследования.

Даже несмотря на минимализм генома, объём информации для получения кода виртуальной клетки был огромен. Окончательная модель использует более 1900 экспериментально определяемых параметров. Для того чтобы объединить эти разрозненные точки в единую модель, учёные смоделировали группы биологических процессов в 28 модулях, каждый из которых имеет собственный алгоритм. Далее эти модули были увязаны друг с другом, чтобы воссоздать целостный механизм функционирования Mycoplasma genitalium.

Исследование кибер-клетки

Полностью компьютерная модель клетки открывает горизонты, которые порой были недостижимы в рамах живого организма. Данное исследование также позволило учёным рассмотреть различные аспекты поведения клеток, которые возникают на основании пересечения огромного числа взаимодействующих факторов.

«Если вы используете компьютерную модель для ведения своих экспериментов, это позволяет вам делать открытия быстрее» - сказал Коверт.

Био-CAD

Будущее модели видится её авторам в более прикладных областях. CAD (САПР) – системы автоматического проектирования, которые уже произвели революцию в таких областях как авиастроение и градостроение, существенно сократив количество ошибок в вычислениях. Но наше неполное понимание даже простейших биологических систем означает, что CAD до сих пор не нашли своего применения в биоинженери.

Расчетные модели, подобные этой, могут привести к появлению рационального проектирования в биологии. Это обеспечит не только возможность проведения экспериментов без участия живого организма, но также возможность проектирования и создания принципиально новых жизненных форм. Био-CAD также могут привести к заманчивым достижениям в области персонифицированной медицины, но эти амбиции весьма далеко идущие, признают исследователи.

«Чтобы собрать полную модель человеческого организма, нам нужно будет приложить колоссальное количество усилий и времени. На данный момент мы хотим остановиться на более простых организмах» - сказал Карр.

Источник: sciencedaily

• < Британия на кухне. Кто кого?
• «Зелёная» инфраструктура для джунглей Амазонки >

Комментарии: