Создана первая полная компьютерная модель живого организма

Учёные из Стэнфордского университета (Stanford University) создали первую полную компьютерную модель живого организма. Группа под руководством Маркуса Коверта (Markus Covert) использовала данные более 900 научных работ, чтобы установить все молекулярные взаимодействия, которые протекают в ходе жизненного цикла бактерии Mycoplasma genitalium.

Полученная модель позволит получить ответы на вопросы, которые невозможно решить другим путём. Кроме того, нынешнее достижение — серьёзный шаг к использованию компьютерного проектирования в биотехнологии и медицине.

За последние два десятка лет по всему миру было проведено огромное количество исследований в области клеточной биологии. Но большинство учёных до сих пор используют редукционистский подход, когда удаляется отдельный ген, а затем исследователи смотрят, на какие свойства влияет его отсутствие. 

"Многие вопросы, которые представляют для нас интерес, не зависят от одного гена. Как правило, это результат взаимодействия сотен и тысяч генов", — говорит Коверт.

Для более эффективного использования большого массива информации о деятельности клетки необходимо объединить все данные в одном месте и рассматривать их комплексно. Для этого и была разработана компьютерная модель.

M. genitalium – крошечная паразитическая бактерия, которая живёт в мочеполовой и дыхательной системе человека. Она часто выступает объектом генетических исследований, потому что имеет самый короткий геном среди всех живых организмов, состоящий всего из 525 генов. Это, казалось бы, небольшое количество генов регулирует около 1900 параметров, которые были определены экспериментальным путём и включены в компьютерную модель. 

Как сообщается в пресс-релизе университета, для интеграции этих разрозненных показателей, учёные смоделировали 28 биологических процессов, свойственных бактерии. Для каждого процесса был использован свой алгоритм. При этом они взаимодействуют друг с другом, так же как это происходит в живом организме.

Модель позволяет проводить исследования, которые трудно выполнить без её помощи, такие как изучение динамики ДНК-связывающего белка или выявление новых функций генов.

В статье, опубликованной в журнале Cell, разработчики рассказывают, как с помощью модели смогли понять, почему продолжительность жизненного цикла разных бактерий примерно одинакова при варьирующейся длительности отдельных его этапов.

Оказалось, это связано с тем, что клетки, которые тратили больше времени на подготовку к репликации нитей ДНК, создавали запас нуклеотидов. На следующем этапе они довольно быстро использовали свои накопления для создания новых нитей ДНК. А клетки, которые быстро проходили процесс подготовки, не имели такого запаса, и это замедляло последующий этап. 

Системы компьютерного моделирования уже произвели революцию во многих областях деятельности человека от воздухоплавания до гражданского строительства. Они позволяют сократить количество проб и ошибок на пути к цели. Но до недавнего времени эти технологии очень слабо использовались в биоинженерии. Модель, созданная командой Коверта, наглядно демонстрирует все преимущества этого метода и существенно ускоряет исследования. 

Соавтор разработки аспирант Джонатан Карр (Jonathan Karr) говорит, что в дальнейшем группа планирует создать компьютерные модели микроорганизмов, которые используются для производства медицинских препаратов. Исследователь не сомневается, что рано или поздно будет создана подобная модель на основе генома человека. Хотя эта задача потребует колоссальных коллективных усилий и, вероятно, потрясающих вычислительных мощностей.