Η προσομοίωση όλων των βασικών διεργασιών σε ένα ζωντανό βακτήριο ανοίγει νέο παράθυρο στη μελέτη της ζωής.
Για πρώτη φορά στα χρονικά της βιολογικής έρευνας, ερευνητές κατάφεραν να προσομοιώσουν σε υπερυπολογιστή σχεδόν όλες τις χημικές αντιδράσεις σε ένα ζωντανό βακτήριο, ένα επίτευγμα που ανοίγει νέο παράθυρο στις θεμελιώδεις διεργασίες της ζωής.
Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να προσφέρουν νέα στοιχεία για τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο DNA, τις πρωτεΐνες, τα λιπίδια και άλλα μόρια των κυττάρων στα ζωντανά κύτταρα. Στο μέλλον, παρόμοιες προσομοιώσεις θα μπορούσαν να προβλέπουν την επίδραση υποψήφιων φαρμάκων σε κυτταρικό και μοριακό επίπεδο.
Για να κάνει το πείραμα ευκολότερο, η αμερικανο-σινική ομάδα που υπογράφει τη μελέτη στο έγκριτο Cell επέλεξε ένα μινιμαλιστικό βακτήριο με την ονομασία Syn3A. Είχε δημιουργηθεί αφαιρώντας περισσότερα από 400 γονίδια του παθογόνου βακτηρίου Mycoplasma mycoides, αφήνοντας μόνο 493 γονίδια με ζωτικές λειτουργίες.
Σε αυτό το στιγμιότυπο της προσομοίωσης, το πράσινο αντιστοιχεί στην κυτταρική μεμβράνη, το πορτοκαλί στα ριβοσώματα, το κίτρινο στα μόρια RNA, το γκρι στις πρωτεΐνες και το μπλε στο χρωμόσωμα (Zane Thornburg)
Κυτταρικός κύκλος
Οι ερευνητές προσομοίωσαν τον λεγόμενο κυτταρικό κύκλο, τη διαδικασία μέσω της οποίας διαιρούνται τα κύτταρα. Στο συγκεκριμένο βακτήριο, η όλη διαδικασία διαρκεί 105 λεπτά. Για την προσομοίωσή της όμως χρειάστηκαν έξι ημέρες υπολογισμών στο Εθνικό Κέντρο Υπερυπολογιστικής στο Τσεντσόου της Κίνας.
«Είναι ένα τρισδιάστατο, πλήρως δυναμικό, κινητικό μοντέλο ενός ζωντανού μινιμαλιστικού κυττάρου» δήλωσε η Ζαν Λούθεϊ-Σούλτεν του Πανεπιστημίου του Ίλινοϊ στο Ουρμπάνα-Σαμπέιν, επικεφαλής της μελέτης, στην οποία συμμετείχαν επίσης ερευνητές του Χάρβαρντ.
Οι ερευνητές εισήγαγαν πληροφορίες για τη συμπεριφορά όλων των γονιδίων, των πρωτεϊνών, των λιπιδίων, των μορίων RNA και τις μεταξύ τους αντιδράσεις. Τα ένζυμα αντιγραφής του DNA, για παράδειγμα, έπρεπε να μιμούνται τους πολύπλοκους μηχανισμούς δράσης που έχουν καταγραφεί στα ζωντανά κύτταρα. Και το μοντέλο έπρεπε να αναπαράγει με ακρίβεια τις διαδικασίες με τις οποίες το κύτταρο διπλασιάζεται σε όγκο πριν διαιρεθεί.
«Δεν μπορώ να υπερτονίσω πόσο δύσκολο είναι να προσομοιώσεις πράγματα που κινούνται — και το να το κάνεις αυτό σε 3D για ένα ολόκληρο κύτταρο ήταν πραγματιλός θρίαμβος» είπε ο Ζέιν Θόρνμπεργκ του Πανεπιστημίου του Ίλινοϊ.
Οπως όλα τα βακτήρια, το Syn3A δεν διαθέτει πυρήνα. Το DNA, το RNA και άλλα μόρια αιωρούνται μέσα στο κυτταρόπλασμα –το υλικό που περικλείεται από την κυτταρική μεμβράνη- ενώ ορισμένες πρωτεΐνες είναι ενσωματωμένες στην ίδια την κυτταρική μεμβράνη.
Ενα από τα μεγαλύτερα εμπόδια ήταν «το πώς οι μεμβράνες και το DNA μιλούν το ένα στο άλλο ενώ και τα δύο κινούνται» επισήμανε ο Θόρνμπεργκ.
Η προσομοίωση της αντιγραφής του DNA αποδείχθηκε ιδιαίτερα απαιτητική σε υπολογιστικούς πόρους και έτρεξε σε ξεχωριστή κάρτα γραφικών (GPU), ενώ δύο άλλες κάρτες ανέλαβαν την προσομοίωση όλων των υπόλοιπων κυτταρικών διαδικασιών
Ακόμα και όταν η προσομοίωση επαναλήφθηκε με ελαφρώς διαφορετικές συνθήκες έναρξης, το εικονικό κύτταρο ολοκλήρωνε τον κύκλο της αντιγραφής σε περίπου 105 λεπτά, ένδειξη ότι μιμείται αξιόπιστα τη λειτουργία του βακτηρίου.
Αν και η προσομοίωση δεν πραγματοποιήθηκε σε ατομικό επίπεδο, αλλά εξέτασε τον μέσο όρο της συμπεριφοράς μεμονωμένων μορίων, η αξία της είναι ότι μιμείται πολλές παράλληλες κυτταρικές διαδικασίες, είπαν οι ερευνητές.
«Αν για παράδειγμα θέλετε να ξέρετε τι συμβαίνει στον μεταβολισμό των νουκλεοτιδίων» είπε η Λούθεϊ-Σούλτεν, μπορείτε επίσης να δείτε τι συμβαίνει στην αντιγραφή του DNA και τη βιογένεση των ριβοσωμάτων. Οι προσομοιώσεις μπορούν έτσι να σας δώσουν τα αποτελέσματα εκατοντάδων πειραμάτων ταυτόχρονα».
