Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Эти амбиции можно было увидеть в статье «Проект К: Полное решение проблемы E. coli», написанной Криком в 1973 г. после обсуждений с Сиднеем Бреннером (1927–2019), одним из первых, кто обратил внимание на двойную спираль ДНК[343]. Крик и Бреннер хотели использовать новое молекулярное понимание для решения ряда биологических проблем, каждая из которых была сосредоточена на понимании различных форм жизни: вирус, поражающий бактерии, фаг лямбда (Проект L); мышь (Проект М); нематода (Проект N), за которую Бреннер получил Нобелевскую премию; и E. coli, штамм K12 кишечной бактерии (Проект K). Когда дело дошло до последнего, Крик говорил о поиске «полного решения», «объяснения» живой клетки[344].

В 1984 г., через несколько лет после того, как ученые начали использовать кропотливые методы секвенирования отдельных генов, Гарольд Моровиц из Йельского университета выбрал более легкую цель для полного объяснения живой клетки, чем кишечная палочка, – бактерию Mycoplasma («простейшая живая клетка»), чтобы исследовать то, что он называл «логикой жизни». Несмотря на ограничения компьютеров того времени, Моровиц даже подумывал использовать компьютер для создания виртуальной клетки. Он говорил о том, что компьютерная модель «осуществима, <…> и каждый эксперимент, который можно провести в лаборатории, можно провести и на компьютере»[345]. В том же году Майкл Шулер и его коллеги из Корнеллского университета создали модель сверху вниз, основанную на дифференциальных уравнениях, которая смогла воспроизвести рост отдельной клетки E. coli и популяций бактериальных клеток[346].

Вслед за этими ранними исследованиями усилия по созданию виртуальных клеток процветали благодаря растущей мощности компьютеров, подпитываемой взрывным ростом информации об основных процессах жизни из лабораторий молекулярной биологии по всему миру, а также достижениями в теории, например, как физика, управляющая образованием капель, а также происхождением пузырьков в бокале шампанского, может помочь нам понять основные принципы организации живых клеток[347].

Расцвет виртуальных бактерий

С развитием секвенирования генома и обилием подробных клеточных данных возможность моделировать более простые организмы, такие как микоплазмы, стала практической реальностью. Идея Моровица получила развитие в 1995 г., когда Mycoplasma genitalium, обитающая в половых путях человека, стала вторым свободноживущим организмом, генетический код которого был прочитан или секвенирован в ходе исследований американского пионера геномики Крейга Вентера[348].

Одну попытку превратить это молекулярное понимание в «электронную клетку» предпринял Масару Томита из Университета Кэйо, Фудзисава, Япония[349]. Весной 1996 г., работая под руководством Томиты, студенты Лаборатории биоинформатики в Кэйо нарисовали сеть метаболических взаимодействий, основанную всего на 120 генах Mycoplasma – существенное упрощение, поскольку реальная на самом деле зависит от 525 генов. Более того, они также позаимствовали 7 генов у бактерии E. coli, чтобы заставить свою виртуальную клетку работать[350].

Эта модель, опубликованная три года спустя, включала метаболизм, транскрипцию и трансляцию генов. Описывая клеточный метаболизм с помощью набора обыкновенных дифференциальных уравнений, они использовали объектно-ориентированное программирование для транскрипции и трансляции, где клеточные данные представлялись как дискретные объекты, с которыми может взаимодействовать пользователь и другие объекты. Команда разработала сотни правил, регулирующих метаболические пути: от гликолиза и транскрипции генов до синтеза белка. Для большей реалистичности ферменты и другие белки в их модели изящно «деградировали», так что их приходилось постоянно синтезировать, чтобы клетка могла поддерживать «жизнь».

Японская команда могла экспериментировать на своей виртуальной клетке, поскольку их «движок-симулятор» работал примерно на одной двадцатой темпа жизни реальной клетки. Состояние виртуальной клетки в каждый момент выражалось в виде концентраций входящих в нее веществ, а также значений объема клетки, кислотности (pH) и температуры. Они могли выбить ген и изучить последствия, даже «убить» свою виртуальную клетку, отключив важный ген, например, отвечающий за синтез белка.