Vědci vytvořili digitální dvojče buňky: Sleduje celý životní cyklus na nanometrové úrovni a slibuje revoluci v medicíně
ZdravíPřed pěti lety vědci s úžasem sledovali, jak syntetické bakterie rostou a dělí se na dceřiné buňky. Jejich extrémně zjednodušený genom stále podporoval celý životní cyklus, což byl korunní úspěch v syntetické biologii, který objasnil nejzákladnější životní procesy.
Před pěti lety vědci s úžasem sledovali, jak syntetické bakterie rostou a dělí se na dceřiné buňky. Jejich extrémně zjednodušený genom stále podporoval celý životní cyklus, což byl korunní úspěch v syntetické biologii, který objasnil nejzákladnější životní procesy. Tyto procesy lze nyní pozorovat digitálně. Tým z University of Illinois at Urbana-Champaign vyvinul virtuální model těchto bakterií, který sleduje téměř všechny molekuly buňky až na nanometrovou úroveň. Vědci vytvořili tuto digitální buňku kombinací několika rozsáhlých datových souborů pokrývajících tisíce molekul a následně je animovali, jak se bakterie dělí na dvě.
Tento model představuje nejnovější pokrok v rostoucím úsilí o vytváření digitálních dvojčat živých buněk. Simulace nemocí nebo léčebných postupů v digitálním světě nabízí komplexní pohled na buněčné změny a mohla by výrazně urychlit objevování léků a pomoci výzkumníkům řešit komplexní onemocnění, jako je rakovina. Podle autorky studie Zan Luthey-Schultenové může celobuněčný model předpovídat mnoho buněčných vlastností současně a poskytnout výsledky stovek experimentů najednou.
Každá buňka je rušnou metropolí, kde proteiny orchestrálně řídí širokou škálu buněčných reakcí, molekuly RNA přenášejí instrukce z genů do továren na výrobu proteinů a mastné kyseliny v buněčné membráně se přeskupují, aby propustily živiny nebo odrazily vetřelce. Tato složitost činí simulaci buněk náročnou. S velkými datovými soubory mapujícími genom, genovou expresi a proteiny, spolu se sofistikovanou umělou inteligencí, však vědci dokázali vytvořit statické virtuální buňky s téměř kompletním obrazem v atomárním rozlišení. Novější modely dokážou dokonce předpovídat molekulární pohyby na krátkou dobu, ale dosud nedokázaly simulovat mechaniku a chemii, které probíhají během minut až hodin v procesech, jako je genová exprese a buněčné dělení.
Tým se zaměřil na minimální bakterii JCVI-syn3A, zjednodušenou verzi parazita Mycoplasma mycoides, jejíž genom s 493 geny je nejmenší sadou DNA instrukcí potřebných k nastartování živé bakterie, která je stále schopna růst a dělit se. V roce 2022 tým vyvinul 3D model metabolismu, genů a růstu bakterie, ale software Lattice Microbes tehdy nedokázal sledovat dělení. Nová studie přidala do softwaru více dat, včetně změn membrány a informací o tom, jak se ribozomy, buněčné stroje na výrobu proteinů, sestavují a pohybují uvnitř buňky. Do modelu byla také přidána stochastičnost neboli nepředvídatelnost, protože změny v poloze chromozomů jsou při dělení buňky náhodné a ovlivňují replikaci DNA a genovou expresi.