深海の奇妙な生き物から体内のバクテリアまで、地球上のすべての生命は細胞で構成されています。しかし、最も単純な細胞でさえどのように機能するかについては、非常に大まかな考えしかありません.
さて、最近 Cell で説明したように 、イリノイ大学アーバナシャンペーン校のチームとその同僚は、生きた細胞のこれまでで最も完全なコンピューターシミュレーションを作成しました.このデジタル モデルを使用することで、生物学者は自然の制約を突破し、生命の最も基本的な単位がどのように動いているか、そしてもしそれが違った動きをした場合に何が起こるかについての調査を加速することができます。
イリノイ大学でシミュレーションを実施するグループを率いた上級著者の Zaida (Zan) Luthey-Schulten 氏は、次のように述べています。このモデルを使用して、彼女と彼女の同僚は、モデル化された細胞の生理学と生殖周期についてすでに驚くべき発見をしており、シミュレーションはさらなる実験のアイデア ジェネレーターとして機能し続けています。
「これは、生化学反応や非常に人工的なシステムだけでなく、生きている細胞全体など、複雑なシステム全体の代謝を非常に注意深く計算で調べることができる初めてのことです」と、合成生物学者で助教授のケイト アダマラは述べています。研究に関与していないミネソタ大学で。何年もの間、科学者は細胞全体をモデル化し、その生態を正確に予測しようと試みてきましたが、ほとんどの細胞は複雑すぎるため、うまくいきませんでした。 「どんなレゴ ブロックが入っているか分からなければ、モデルを作るのは難しいです」とアダマラは言いました。
しかし、イリノイ州のグループが取り組んでいる細胞は非常に単純で、他のどの細胞よりも遺伝子がはるかに少ないため、その生理学はより簡単に調整され、モデルの理想的なプラットフォームとなっています.
問題の細胞は、実験室で作られた「最小限の細胞」であり、生命と非生命の境界線でぐらつき、限られた数の遺伝子を持っており、そのほとんどは生存に必要です。この非常に基本的な細胞内で起こっている既知の生化学的プロセスを再現し、すべての栄養素、老廃物、遺伝子産物、その他の分子を 3 次元で追跡することにより、シミュレーションは科学者に最も単純な生命体がどのようにそれ自体を維持しているかを理解させ、そのいくつかを明らかにします。生活の最低限の要件。
この発見は、より複雑で重要な自然細胞のモデルを構築するための足がかりです。科学者が最終的に一般的な腸内細菌 Escherichia coli の同等の詳細なシミュレーションを構築できれば たとえば、「これは絶対的なゲーム チェンジャーになるでしょう。なぜなら、私たちのバイオ製造はすべて E.大腸菌 」とアダマラは言いました。
デジタル ライフ
チームがモデル化した最小細胞 JCVI-syn3A は、J. Craig Venter Institute の合成生物学者によって開発され、Science で発表されたものの更新版です。 そのゲノムは、非常に単純な細菌 Mycoplasmas mycoides のゲノムに基づいて設計されています。 、しかし、プロジェクトの科学者が生命に不可欠ではないと体系的に判断した遺伝子は取り除かれました。 JCVI-syn3A はわずか 493 個の遺伝子でうまくいきます。これは、その細菌のインスピレーションの約半分の数であり、E の約 8 分の 1 です。大腸菌
単純ではありますが、細胞は依然として謎めいています。たとえば、これらの遺伝子のうち 94 個が何をするのかは、細胞がそれらなしでは死ぬということを除いて誰にもわかりません。それらの存在は、「生命に不可欠な生活課題または機能が存在する可能性があることを示唆しています…科学は気づいていません」と、新しい研究の共著者であり、ベンター研究所の合成生物学グループのリーダーであるジョン・グラスは述べています。 2016 年に極小セルを開発したチームのメンバーです。研究者は、モデリングを使用して、これらの謎のいくつかをすぐに解明できることを望んでいます。
新しいモデルを構築するために、イリノイ大学のチームはさまざまな分野から豊富な調査結果を取り入れ、それらを織り上げました。彼らは、極小細胞の急速冷凍された薄切り画像を使用して、その有機機構を正確に配置しました。大規模なタンパク質分析は、適切な既知のタンパク質をすべて内側に振りかけるのに役立ち、ドイツのドレスデン工科大学の共著者によって提供された細胞膜の化学組成の詳細な分析は、分子を外側に正しく配置するのに役立ちました.細胞の生化学の完全な地図は、分子の相互作用のルールブックを提供しました.
デジタル細胞が成長して分裂するにつれて、何千ものシミュレートされた生化学反応が発生し、すべての分子がどのように振る舞い、時間とともにどのように変化したかが明らかになりました.
シミュレーションは、培養中の生きている JCVI-syn3A 細胞の多くの測定値を反映しています。しかし、彼らはまた、細胞がどのようにエネルギー収支を分配するか、メッセンジャー RNA 分子がどれだけ速く分解するかなど、実験室でまだ注目されていなかった細胞の特徴も予測しました。
最も驚くべき発見のいくつかは、JCVI-syn3A 細胞の迅速な成長と分裂に関するものでした。シミュレーションは、細胞がそれと同じくらい速く分裂するために、トランスアルドラーゼと呼ばれる酵素を必要とすることを示しました - しかし、どれも存在していないようです.細胞が酵素を不要にする代謝経路を進化させたか、または「そのような酵素が存在する可能性が残されているが、それは通常のトランスアルドラーゼのようには見えない」と Glass は述べた.
彼と彼のチームは、この謎の分子を探すための実験を計画していると同時に、モデルの他の予測のいくつかをテストし続けています。たとえば、2 つの非必須酵素の遺伝子を追加するだけで、細胞分裂の間隔を短縮できることをすでに確認しています。
残りの未知数
シミュレーションのデータのすべてが実験データと一致したわけではなく、モデルには 94 の遺伝子の未知の機能など、重要なギャップがあります。さらに、モデルは基本的に生化学的なものですが、「細胞を完全に理解するには、細胞のすべての原子または分子の力と相互作用をすべてモデル化する必要があります」と Glass 氏は述べています。
彼は、スタンフォード大学の化学工学の准教授である Roseanna Zia と共同で、JCVI-syn3A の生物物理学的モデルを構築し、物理が細胞内の相互作用をどのように駆動するかを調べる可能性について話し合っています。
すべてのモデルには欠点がありますが、「この研究で彼らが行っていることは非常に困難であり、非常に野心的です」と、国立標準技術研究所のセルラー エンジニアリング グループの責任者であり、2016 年のミニマルの共同執筆者であるエリザベス ストリカルスキーは述べています。 -セル紙。 「できることよりも、想像できることによって制限されているようです。」
十分に完全なモデルがあれば、研究者は創造性を発揮できるはずです。彼らは、生化学的経路を切り取ったり、余分な分子を落としたり、シミュレーションを別の環境に設定したりするとどうなるかを見ることができます。この結果は、細胞が生き残るために必要なプロセスとそうでないプロセスについて、より多くの洞察を与えるはずです。数十億年前に最初の細胞が必要としたものを垣間見ることさえできるかもしれません.
Luthey-Schulten と彼女のチームは、このモデルをすぐに使用して、生命の最小原理に関するより深い問題を調査したいと考えています。しかし今のところ、彼らはモデルがすでに提供したデータをふるいにかけています。 「この最小限の細胞をコンピューターに搭載し、生命を吹き込み、調査を開始できるという成果だけでも、十分にエキサイティングです」と Luthey-Schulten 氏は述べています。
