Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

География реальной клетки включена в виртуальную версию с помощью конфокальной микроскопии, которая за последние два десятилетия произвела революцию в нашем представлении о клетке благодаря потрясающим трехмерным красочным изображениям. Эти изображения можно использовать в качестве основы экспериментальных данных для построения трехмерных пространственных моделей сетей химических реакций. Затем пользователь разделяет геометрию на однородную сетку элементов – как всегда, достаточно большую, чтобы быть полезной, но достаточно маленькую, чтобы не требовала слишком больших вычислительных затрат. Реакция, диффузия, перемещение тепла или вещества, транспорт через мембраны и электрофизиология – все поддерживается VCell. Команды могут передавать VCell результаты измерений реальных клеточных процессов, систематизировать эти данные, обмениваться ими и использовать математические модели для моделирования и анализа биологии в этой модульной вычислительной системе.

Вместе со своим коллегой Михаилом Блиновым Лоу познакомил нас с их моделью клетки, которая показывает отдельные биохимические реакции в виде узлов[370]. Нажмите на узел, и вы увидите химический процесс в действии. Цепные реакции химии показаны в виде сетей, а они, в свою очередь, могут быть отображены на клеточной геометрии, будь то изображения срезов клетки, полученные с помощью конфокального микроскопа, или даже идеализированные формы, такие как сферы и кубы. Пользователь может указать начальные условия клетки, а модель также рассчитает градиенты концентрации клеточных процессов, показывая закономерности в соответствии с линиями, как предсказывал Тьюринг.

В Медицинской школе Маунт-Синай и Колумбийском университете эта виртуальная клетка использовалась для изучения того, как клетки почек человека регулируются для создания тонкой системы фильтрации, состоящей из пальцеобразных выступов, которые позволяют почкам функционировать[371]. Другие проекты используют VCell для изучения клеток поджелудочной железы[372] и способа передачи сигналов в мозге через синапсы и нейроны.

Это программное обеспечение для виртуальных клеток теперь используется учеными во всем мире для изучения того, как архитектура клеток формирует и контролирует их реакцию на окружающую среду, а также как клеточные химические вещества реагируют и распространяются. Модель была недавно обновлена и теперь включает в себя движение клеток[373]. Лоу рассказал: «Наше программное обеспечение предназначено для очень общего моделирования клеточной биологии с учетом диффузии с помощью дифференциальных уравнений в частных производных (а также ОДУ и стохастических событий). Это делает его ценным для широкого круга исследователей – количество зарегистрированных пользователей составляет 24 000»[374].

Важно отметить, что оно также предлагает базу данных, которую другие пользователи могут использовать для поиска моделей (или фрагментов моделей), на основе которых можно разрабатывать собственные модели, которые, в свою очередь, можно внести в базу данных, обычно после публикации статьи, описывающей моделирование их клеток. На момент написания в базе данных почти 1000 общедоступных моделей, и около 275 полностью курированы. «Поскольку база данных продолжает расти, она в прямом смысле слова станет виртуальной клеткой», – сказал нам Лоу.

Большинство вычислительных моделей в биологии предназначены для одноразового использования. Блинов стремится создавать тщательно аннотированные и курируемые модули, получившие название ModelBricks, которые пользователи смогут смешивать, сопоставлять и модифицировать для создания сложных моделей виртуальных клеток[375]. Традиционный способ создания виртуальной клетки «сродни строительству кирпичного дома, начинающемуся с груды глины»: есть надежда, что сложные молекулярные сети клеток можно построить из более простых «кирпичиков».

Жизнь как информация

Уловить детали огромной паутины взаимосвязанных химических процессов, которые бурлят внутри наших клеток, – один из способов смоделировать их поведение, но если посмотреть на сети биохимических реакций, в деталях нанесенные на карту, они несколько сбивают с толку. Как жаловался нобелевский лауреат Пол Нерс, за деревьями трудно увидеть лес. Нерс заинтересован в изображении жизни и клеток другим, более фундаментальным способом, с точки зрения логики и информации[376]. Под этим он имеет в виду нечто гораздо большее, чем нынешний (и, по общему признанию, важный) взгляд на то, как информация, закодированная в ДНК, превращается в белки – то, как она используется биологической системой (такой, как человеческая клетка) в целом, как снаружи, так и внутри. «Информация занимает центральное место в биологии. В 1950-х и 1960-х гг. о ней говорили все, а затем ее затмила молекулярная биология»[377].