Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Symulowanie życia - jak działa żywa komórka?
Symulowanie życia - jak działa żywa komórka?
Badania zespołu profesora Markusa W. Coverta ze Stanford University (USA) mogą wkrótce przyczynić się do znalezienia odpowiedzi na to fundamentalne pytanie nurtujące naukowców na całym świecie. Przy użyciu modelowania komputerowego zespół M.W. Coverta stara się tworzyć symulacje funkcjonowania żywych komórek. Jak na razie udało się opracować kompletny model komórki bakteryjnej M.genitalium. Co dalej?

 

W 2012 roku zespół M. W. Coverta opublikował kompletny model funkcjonowania komórki M. Genitalium. Po raz pierwszy możliwe stało się symulowanie działania genów oraz procesów bichemicznych zachodzących podczas reprodukcji organizmu. Jak do tego doszło?

W 1984 roku Harold Morovitz (wówczas z Yale University) rozpoczął badania nad stworzeniem modelu bakterii z rodzaju mycoplazma. Do badań wybrał M. genitalium – najprostrzą bakterię, z którą biolodzy pracowali już od dłuższego czasu. Pierwszym etapem badań było zsyntetyzowanie jej genomu – dokonał tego w roku 1995 J.Craig Venter i jego współpracownicy z The Institute for Genome Research (TIGR). Okazało się, że posiada ona 525 genów, z czego 400 ma kluczowe znaczenie dla podtrzymania życia (dla porównania ludzka komórka zawiera przeszło 20 000 genów). Rozpoczęto badania. Pierwsze symulacje prowadzono w całych koloniach komórek.

W 2008 roku M. W Covert wpadł na pomysł skonstruowania modelu pojedynczej komórki. Dokonał analizy wszystkich informacji zgromadzonych dotychczas w pracach naukowych teoretycznych, badaniach genetycznych i wcześniejszych doświadczeniach w modelowaniu życia M.genitalium. Mimo iż bakteria ta jest stosunkowo prostym organizmem, odtworzenie jest funkcjonowania okazało się poważnym wyzwaniem. Naukowcy opracowali ponad 1900 wirtualnych parametrów. Każdy z procesów biologicznych ujęli jako 28 osobnych „modułów“ zarządzanych przez własne algorytmy. Podczas wykonywania programu moduły w przypadkowej kolejności symulowały jednosekundowy etap życia bakterii. Po zakończeniu symulacji pierwszego jednosekundowego etapu, program, uwzględniając wyniki przeprowadzonych obliczeń, aktualizował dane. Stanowiły one punkt wyjścia do symulacji drugiego jednosekundowego etapu. Taki cykl był powtarzany do momentu podziału komórki, jej obumarcia lub do chwili, gdy komórka osiągała nierealistyczny wiek. Badania nad modelem trwały około cztery lata. W tym czasie zespół doskonalił model usuwając pojawiające się błędy programowe.

 

Źródło: Lee RKarr JRCovert MW. „WholeCellViz: data visualization for whole-cell models"BMC Bioinformatics. 2013. 14: 253.

 

Ostatecznie w 2012 roku zespół M.W. Coverta opublikował kompletny model komórki M. genitalium. Jak mówi M.W. Covert - „Osiągnęliśmy to, co parę lat temu wyznaczyliśmy sobie za cel. Pierwszy komputerowy model żywego organizmu […] Wyniki wszystkich naszych symulacji, kod programu, baza wiedzy, kod wizualizacji oraz dane eksperymentalne udostępniliśmy w sieci (http://wholecellviz.stanford.edu/)[…] Czego nauczymy się dzięki modelowi?”.

Jak powszechnie wiadomo, bakteria M.genitalium jest bakterią chorobotwórczą wywołującą infekcje narządów płciowych i dróg moczowych. Jak twierdzi James M. Anderson, dyrektor Wydziału Koordynacji Programów, Planowania i Inicjatyw Strategicznych w Narodowym Instytucie Zdrowia – „Kompletne modele komputerowe całych komórek mogą przyczynić się do lepszego poznania ich funkcjonowania oraz przez to pomóc w opracowaniu nowych metod diagnostyki i leczenia chorób". Naukowcy pokładają nadzieję, że lepsze poznanie funkcjonowania M.genitalium przyczyni się do polepszenia diagnostyki schorzeń, które wywołuje. Jednakże jak twierdzi jeden ze współautorów badań J. Karr – „Naszym celem było nie tylko lepsze zrozumienie M. genitalium ale lepsze zrozumienie biologii w ogóle”.

Aktualnie badania zespołu M.W. Coverta skupiają się na stworzeniu modelu bakterii E.Coli. Następnym obiektem badań będzie komórka eukariotyczna - S. Cerevisiae. W szerszej perspektywie zespół ma zamiar skonstruować model komórki zwierzęcej np. makrofaga myszy, a następnie komórki ludzkiej (najprawdopodobniej także makrofaga). Celem jest stworzenie modelów funkcjonowania ludzkich komórek do badań chorób, m.in. nowotworowych. Być może w niedalekiej przyszłości dzięki odkryciu zespołu M.W. Coverta możliwe będzie prowadzenie badań przedklinicznych jedynie przy użyciu symulacji komputerowych.

Źródła

Scientific American, polska edycja, Marzec 2014 3(271) str. 32-37

http://covertlab.stanford.edu/

Lee RKarr JRCovert MW, „WholeCellViz: data visualization for whole-cell models"BMC Bioinformatics. 2013. 14: 253.

 

KOMENTARZE
news

<Maj 2019>

pnwtśrczptsbnd
29
30
1
2
3
4
5
6
7
8
11
12
15
19. Central European BioForum
2019-05-15 do 2019-05-16
16
18
19
20
23
Chemia dla urody
2019-05-23 do 2019-05-23
25
26
28
31
1
2
Newsletter