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生物体生命周期的第一个全细胞计算模型

<p>隐蔽实验室将超过1,900个实验观察到的参数纳入其小型寄生虫生殖支原体模型中图示:Erik Jacobsen / Covert Lab使用来自900多篇科学论文的数据,斯坦福大学的一组研究人员制作了第一个全细胞计算模型</p><p>人类病原体生殖道的生命周期,包括它的所有分子成分及其相互作用在计算生物学的突破性努力中,世界上第一个完整的有机体计算机模型已经完成,斯坦福大学研究人员在由Cell A团队领导的期刊中报道斯坦福大学生物工程学教授Markus Covert利用来自900多篇科学论文的数据来解释生殖支原体生命周期中发生的每一种分子相互作用 - 生殖支原体世界上最小的自由生活细菌通过包含硅中有机体的整体,本文实现了该领域的长期目标不仅如此该模型允许研究人员解决其他不切实际的问题,它代表了在生物工程和医学中使用计算机辅助设计的踏脚石“这一成就展示了一种转变方法来回答有关基本生物过程的问题, “美国国立卫生研究院计划协调,规划和战略计划部主任詹姆斯·M·安德森说:”整个细胞的综合计算机模型有可能促进我们对细胞功能的理解,并最终为诊断的新方法提供信息</p><p>和疾病的治疗“该研究部分资金来自美国国立卫生研究院共同基金会的NIH主任先锋奖从过去二十年的信息到理解生物学的特点是高通量研究的兴起,产生了巨大的细胞宝库信息缺乏实验数据不久研究人员的主要限制因素相反,它是如何理解他们已经知道的东西然而,大多数生物实验仍然采用简化方法来处理这一大量数据:敲除单个基因并观察发生的情况“许多我们感兴趣的问题不是单基因问题,“Covert说”它们是数百或数千个基因相互作用的复杂结果“这种情况导致了信息和理解之间的巨大差距,只能通过斯坦福大学生物工程研究生和共同第一作者Jayodita Sanghvi表示,“将所有这些数据集中到一个地方,看看它是如何组合在一起的</p><p>”综合计算模型澄清了数据集的大小,否则它们会将它们置于人类之外“你不要”我真的明白一些事情是如何起作用的,直到你能自己复制它,“Sanghvi说Small是美丽的Mycoplasma genitalium是一个简陋的寄生条件erium,主要用于显示未经邀请的人类泌尿生殖器和呼吸道但是病原体也具有包含任何自由生物体的最小基因组的区别 - 仅525个基因,而不是大肠杆菌的4,288个,更传统的实验室细菌虽然难以使用这种性传播的寄生虫,但其基因组的极简主义使其成为近期几项生物工程研究的重点</p><p>值得注意的是,这些包括J Craig Venter研究所2009年合成的第一个人工染色体“目标不仅仅是曾经更好地了解M生殖器,“共同第一作者和斯坦福大学生物物理学研究生Jonathan Karr说道</p><p>”这通常是为了理解生物学“即使在这么小的范围内,斯坦福研究人员在虚拟细胞代码中加入的数据量也是巨大的</p><p>最终模型利用超过1,900个实验确定的参数来整合这些不同的数据p研究人员将个体生物过程建模为28个单独的“模块”,每个模块都由自己的算法控制</p><p>这些模块在每个时间步之后相互通信,形成一个与生殖器真实世界紧密匹配的统一整体</p><p>行为探测硅细胞纯粹的计算细胞开辟了在实际生物体中难以执行的程序,以及重新检查实验数据的机会 在该论文中,该模型用于演示许多这些方法,包括DNA结合蛋白动力学的详细研究和新基因功能的鉴定该程序还允许研究人员解决大量出现的细胞行为方面的问题</p><p>相互作用的因素例如,研究人员已经注意到,细胞周期中各个阶段的长度因细胞而异,而整个周期的长度则更加一致</p><p>咨询该模型后,研究人员假设整个细胞周期缺乏变异是内置负反馈机制的结果需要更长时间才能开始DNA复制的细胞有时间积累大量游离核苷酸实际的复制步骤,使用这些核苷酸形成新的DNA链,然后相对快速地通过另一方面,经过初始步骤更快的细胞没有核苷酸剩余复制最终减慢核苷酸产生率这些类型的发现仍然是假设,直到它们被现实世界的实验证实,但它们承诺加速科学探究的过程“如果你使用模型来指导你的实验,你将会发现更快的事情我们一次又一次地展示了这一点,“Covert Bio-CAD表示,该模型的未来承诺大部分在于更多的应用领域CAD - 计算机辅助设计 - 通过大幅度减少试验,彻底改变了从航空到土木工程的领域 - 我们对即使是最简单的生物系统的不完全理解也意味着CAD尚未在生物工程中找到一席之地像生殖器那样的计算模型可以为生物学带来合理的设计 - 不仅可以用于计算机引导实验方案,但是为了批发创造新的微生物一旦为更多的实验易处理的生物设计了类似的模型,K arr设想专门为大规模生产药物设计的细菌或酵母Bio-CAD也可以带来诱人的医学进步 - 特别是在个性化医疗领域但是这些应用还有很长的路要走,研究人员说“这可能是新的人类基因组项目,“Karr说”接下来需要一个非常大的社区努力来接近人类模型“来源:Max McClure,斯坦福大学新闻图片:

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