Cell | 計(jì)算機(jī)模擬人造細(xì)胞模型揭示生命奧秘

原創(chuàng)?舊島望月亮?圖靈基因?2022-01-31 07:03

收錄于話題#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：舊島望月亮

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利用計(jì)算機(jī)模擬人造細(xì)胞，研究細(xì)胞的基本代謝過程和遺傳信息加工過程。

“生命是什么？”“生命的基本過程是怎樣的？”這些問題已經(jīng)困擾了人們二十多個(gè)世紀(jì)。從古希臘到現(xiàn)代，人們對(duì)生命的看法不斷發(fā)生著改變。而當(dāng)今科學(xué)類別的不斷細(xì)化促使人們從不同角度看待“生命”這一概念。其中分子生物學(xué)試圖通過物理和化學(xué)規(guī)律解釋生命的基本過程。人們發(fā)現(xiàn)對(duì)氫原子的研究能更好地理解其他復(fù)雜原子，因此科研人員嘗試通過研究最簡(jiǎn)單的活細(xì)胞揭示適用于所有生命系統(tǒng)的普遍規(guī)律。1984年Morowitz提議通過研究支原體理解生命的基本原理。而科技的發(fā)展使人們不滿足于研究自然存在的細(xì)胞，于是科研人員投身于構(gòu)建人造細(xì)胞的研究中以期通過“最小細(xì)胞”闡釋生命。

2022年1月21日伊利諾伊大學(xué)香檳分校Zaida Luthey-Schulten等人[1]在《Cell》上發(fā)表了名為”Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell”的文章。作者在前人研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建了只包含少數(shù)調(diào)節(jié)蛋白和RNA的全細(xì)胞模型，并且利用該模型研究了細(xì)胞的基本生命活動(dòng)。

構(gòu)建“最小細(xì)胞”的基本原理是通過刪除基因組中的非必需基因?qū)ψ匀淮嬖诘募?xì)胞進(jìn)行改造。2019年Breuer等人[2]報(bào)道合成了人造細(xì)胞JCVI-syn3A，該細(xì)胞只包含493個(gè)基因，大小和基因數(shù)量?jī)H是大腸桿菌的十分之一。然而僅僅通過實(shí)驗(yàn)觀察的方法研究細(xì)胞的基本生命過程顯然是不夠的。描述細(xì)胞的狀態(tài)需要考慮細(xì)胞的大小、形狀、組成成分、細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)以及與環(huán)境的相互作用，這些都可以看作是細(xì)胞生長(zhǎng)與時(shí)間的函數(shù)。此外還需要理論模型來解釋和整合大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此在Breuer等人研究的基礎(chǔ)上，作者利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造了全細(xì)胞模型(whole-cell models, WCMs)，定量分析“最小細(xì)胞”在沒有人為干預(yù)情況下的生命規(guī)律。

圖1?展示了構(gòu)建全細(xì)胞模型的基本流程。首先利用冷凍電鏡斷層成像技術(shù)(cryo-electron tomography, cryo-ET)確定半徑約為200nm的細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞膜和核糖體的位置坐標(biāo)(圖1a)。接著構(gòu)建核糖體的三維模型，其中黃球代表核糖體，而紅、白、籃球代表折疊在核糖體周圍晶格上的DNA(圖1b)。圖1c展示了全細(xì)胞模型的三維結(jié)構(gòu)，綠色正方體所代表的細(xì)胞膜包裹著核糖體、DNA(該處紅、白、藍(lán)線團(tuán)對(duì)應(yīng)的是染色質(zhì)狀態(tài)下的DNA鏈)和細(xì)胞質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，作者引入膜蛋白、降解體以及隨機(jī)分布于細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)、mRNA和tRMA(圖1d和1e)。構(gòu)建了全細(xì)胞模型后，作者導(dǎo)入了前人研究得出的、BRENDA和其他數(shù)據(jù)庫(kù)所記載的代謝速率數(shù)據(jù)，定義了基本的培養(yǎng)基成分，并結(jié)合GPU模擬了20min內(nèi)細(xì)胞的生命活動(dòng)(圖1f-i)。結(jié)果表明該模型成功預(yù)測(cè)了一定時(shí)間內(nèi)處于激活狀態(tài)下的降解體、RNAP和核糖體數(shù)量(圖1j-l)。并且該模型計(jì)算出的mRNA半衰期、基因轉(zhuǎn)錄次數(shù)以及mRNA被翻譯的次數(shù)與先前實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基本一致(圖1m-o)。

接著作者模擬了JCVI-syn3A細(xì)胞在一定培養(yǎng)基下的基本代謝過程。由于培養(yǎng)基中唯一糖的來源是葡萄糖，因此代謝過程起始于葡萄糖被攝入細(xì)胞后的磷酸化反應(yīng)。計(jì)算整個(gè)代謝過程所需要的葡萄糖數(shù)量，發(fā)現(xiàn)半徑約為200 nm的細(xì)胞每秒消耗15,000個(gè)葡萄糖分子。因?yàn)镴CVI-syn3A細(xì)胞中不包含進(jìn)行氧化磷酸化的蛋白質(zhì)，所以細(xì)胞內(nèi)所有的ATP都是由ADP通過丙酮酸激酶轉(zhuǎn)化而來。模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在沒有其他NTP生成的情況下，細(xì)胞每秒最多可以產(chǎn)生45,000個(gè)ATP。并且后續(xù)研究進(jìn)一步通過計(jì)算不同時(shí)間內(nèi)ATP的消耗，量化了細(xì)胞在代謝和處理遺傳信息過程中所消耗的能量。此外作者還研究了氨基酸、輔因子、核苷酸和脂質(zhì)代謝的基本過程。

圖3呈現(xiàn)了全細(xì)胞模型中DNA復(fù)制、染色體復(fù)制、細(xì)胞體積和表面積隨時(shí)間發(fā)生的變化。比較兩個(gè)不同細(xì)胞在同一時(shí)間內(nèi)親代和子代染色體的DnaA長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)染色體復(fù)制的起始時(shí)間并非固定不變(圖3a)。對(duì)174個(gè)細(xì)胞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，親代染色體的復(fù)制起始時(shí)間為3到36分鐘，子代染色體的復(fù)制起始時(shí)間為58到110分鐘(圖3b)。該模型每個(gè)細(xì)胞最初僅有一條染色體，模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在一輪細(xì)胞周期結(jié)束后，單個(gè)細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)平均為2.8條，表明至少有一條子代染色體已經(jīng)部分完成了染色體復(fù)制(圖3c)。定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(qPCR)實(shí)驗(yàn)確定了在指數(shù)期和穩(wěn)定期JCVI-syn3A細(xì)胞染色體的起始點(diǎn)、四分之一位置和終止點(diǎn)的相對(duì)數(shù)量(圖3d)。此外研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的體積在50到70分鐘之間增加一倍，而細(xì)胞表面積在88到112分鐘之間增加一倍(圖3e和3f)。并且在細(xì)胞周期內(nèi)，蛋白質(zhì)表面積與脂質(zhì)表面積之比始終為55：45。

然后作者利用模型研究了細(xì)胞代謝與基因表達(dá)之間的關(guān)系。圖4a展示了細(xì)胞周期中JCVI-syn3A細(xì)胞的基本代謝過程，主要闡釋了ATP與GTP相互轉(zhuǎn)化、核苷酸代謝以及糖酵解過程之間的相互作用。糖酵解和核苷酸代謝通過PYK反應(yīng)將(d)NDP轉(zhuǎn)化為(d)NTP，該過程需要消耗PEP。由于JCVI-syn3A細(xì)胞基因組中不包含葡萄糖激酶，因此作者假設(shè)該細(xì)胞只能通過PtsG磷酸化葡萄糖。所以當(dāng)PYK反應(yīng)使用了一半以上的PEP，葡萄糖攝取將逐漸減少，并最終導(dǎo)致細(xì)胞耗盡PEP進(jìn)而停止攝取葡萄糖。模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，207個(gè)細(xì)胞中大約16%的細(xì)胞發(fā)生了PEP耗盡，而剩下174個(gè)細(xì)胞能夠成功完成一個(gè)細(xì)胞周期。圖4b呈現(xiàn)了兩個(gè)細(xì)胞的DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯隨時(shí)間發(fā)生的變化，其中橙色代表在細(xì)胞周期中DNA只復(fù)制了一次的細(xì)胞，而綠色代表復(fù)制了兩次的細(xì)胞。結(jié)果表明細(xì)胞周期內(nèi)發(fā)生多次復(fù)制的細(xì)胞(綠色)由于需要轉(zhuǎn)錄更多的RNA，消耗了更多的NTPs，從而使其轉(zhuǎn)錄速率下降。此外作者還研究了細(xì)胞內(nèi)的酶和關(guān)鍵代謝產(chǎn)物的濃度隨時(shí)間發(fā)生的變化。

與原有模擬方法相比，作者使用的方法能更好地定量分析細(xì)胞周期內(nèi)的代謝和遺傳信息加工過程。盡管全細(xì)胞模型所計(jì)算出的大部分?jǐn)?shù)據(jù)與先前實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果基本一致，然而DNA復(fù)制過程中形成的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的數(shù)量比qPCR實(shí)驗(yàn)中觀察到的更低。作者表示未來會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化模擬方法，從而使預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)更貼近在實(shí)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果。總之利用“最小細(xì)胞”構(gòu)建出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)細(xì)胞行為的計(jì)算機(jī)模型，有助于科研人員研究生命的基本過程并預(yù)測(cè)基因組變化所帶來的影響?；蛟S在不久的未來，科學(xué)會(huì)幫助我們揭開“什么是生命”這一問題的神秘面紗。?

相關(guān)連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867421014884??

教授介紹

ZaidaLuthey-Schulten為美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的教授，1975年獲得哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)博士學(xué)位。她所在課題組的主要研究方向是生物物理學(xué)，致力于研究蛋白質(zhì)折疊、染色體結(jié)構(gòu)、最小細(xì)胞的生命規(guī)律。她的團(tuán)隊(duì)在Cell、Nat Commun、eLife等雜志上發(fā)表多篇研究性論文。

參考文獻(xiàn)

[1] Thornburg ZR, Bianchi DM, Brier TA, etal. Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell.Cell. 2022;185(2):345-360. doi:10.1016/j.cell.2021.12.025.

[2] Breuer M, Earnest TM, Merryman C, etal. Essential metabolism for a minimal cell.?Elife. 2019;8:e36842.doi:10.7554/eLife.36842.