Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Модель дает различную информацию, показывая, как хромосома связывается по крайней мере с одним белком в течение первых 6 мин клеточного цикла. Они смогли выяснить, что около 90 % генов были использованы или экспрессированы в течение первых 143 мин клеточного цикла и что в течение каждого цикла происходит 30 000 взаимодействий между белками. С помощью компьютера они смогли смоделировать последствия разрушения каждого из 525 генов в тысячах симуляций. Это показало, что 284 гена необходимы для поддержания роста и деления M.genitalium, а 117 из них несущественны, что в целом согласуется с экспериментальными данными[354]. Отключение метаболических генов вызвало наибольшие нарушения. При отключении синтеза определенного компонента клетки, такого как РНК или белок, модель предсказывала почти нормальный рост, за которым следовал спад.

Исследователи нашли захватывающие примеры избыточности. Согласно модели, удаление гена lpdA должно убить клетку. Однако эксперименты показали, что этот штамм остается жизнеспособным, хотя и растет на 40 % медленнее. Они пришли к выводу, что работу этого гена компенсирует другая клеточная подсистема. И действительно, команда обнаружила, что другой ген, Nox, выполняет функцию, аналогичную lpdA. Когда они скорректировали виртуальную клетку, смоделировав дополнительное использование Nox, в результате получилась жизнеспособная симулированная клетка. «Мы были удивлены способностью этих моделей предсказывать поведение на молекулярном уровне, впоследствии подтвержденное экспериментально», – сказал Коверт. Это впечатляет, хотя команда подчеркнула, что модель была лишь «первым наброском».

Одно из ключевых открытий, которое пришло к нам, в частности, от аспирантки Коверта Джайодиты Сангви, заключалось в возможности исходить из общего поведения виртуальных клеток (например, влияния разрушения генов на скорость роста), чтобы предсказать, что происходит на уровне ферментов, а не прибегать к данным об этих ферментах из других организмов, таких как E. coli[355]. «Это действительно невероятное достижение, которое часто недооценивают, – заметил Коверт. – Ранее работа заключалась в запуске симуляций, и эти симуляции были самоцелью. Работа Джайодиты была первой проведенной над клетками, в которой была показана точность как общих, так и очень детальных предсказаний модели. Впервые увидев результаты, я не мог поверить, – для меня эти новые данные были таким же Святым Граалем, как и сама модель!»[356]

Этот подход может стать благом для усилий по адаптации микроорганизмов для новых целей, будь то производство лекарств или топлива, а также для содействия усилиям по созданию синтетических клеток. В рамках применения технологии рекомбинантной ДНК и генной инженерии, направленной на идентификацию фундаментальных генов жизни и занявшей почти десятилетие, в 2016 г. команда Крейга Вентера объявила, что они создали в лаборатории хромосому и варианты M.genitalium и трансплантировали их в пустую бактериальную оболочку для получения синтетической клетки[357].

Эта виртуальная бактерия с ее 525 генами была только началом. Они автоматизировали процесс с помощью так называемого сборочного робота Gibson (названного в честь коллеги Вентера Дэна Гибсона[358]). В долгосрочной перспективе модели виртуальных клеток могут привести к рациональному проектированию новых микроорганизмов. Вентер, который подчеркнул, что работа Коверта была «фантастической», сказал нам, что в настоящее время возможности ограничены, потому что для полного понимания функции генов еще многое предстоит сделать: даже в случае маленькой M.genitalium роль трети генов изначально была неизвестна. Однако он добавил, что виртуальные клетки обладают «огромной полезностью», когда дело доходит до раскрытия этих деталей[359].

В качестве примера было проведено моделирование минимальной синтетической бактериальной клетки JCVI-syn3A, урезанного организма всего с 93 генами, созданного Институтом Дж. Крейга Вентера (JCVI) и Synthetic 4 Genomics, Inc. Клайд Хатчисон, Зайда (Зан) Люти-Шультен и коллеги из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне построили 3D-модель примерно двух миллиардов атомов, раскрывающих связи между метаболизмом, генетической информацией и ростом клеток, включая 148 известных метаболитов, 452 белка, 503 рибосомы и более 7000 реакций ДНК. Модель использовала графические процессоры для моделирования 20-минутного периода клеточного цикла – одного из самых длинных и сложных в своем роде на сегодняшний день. Обнадеживает тот факт, что модель показала: клетка тратит большую часть энергии на транспортировку молекул через свою мембрану, чего и следовало ожидать, учитывая, что это паразитическая клетка, и фундаментальное «эмерджентное поведение подтверждается несколькими экспериментальными результатами»[360].

Виртуальная E. Coli