Cell | 计算机模拟人造细胞模型揭示生命奥秘

原创 旧岛望月亮 图灵基因 2022-01-31 07:03

收录于话题#前沿生物大数据分析

撰文：旧岛望月亮

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亮点：

利用计算机模拟人造细胞，研究细胞的基本代谢过程和遗传信息加工过程。

“生命是什么？”“生命的基本过程是怎样的？”这些问题已经困扰了人们二十多个世纪。从古希腊到现代，人们对生命的看法不断发生着改变。而当今科学类别的不断细化促使人们从不同角度看待“生命”这一概念。其中分子生物学试图通过物理和化学规律解释生命的基本过程。人们发现对氢原子的研究能更好地理解其他复杂原子，因此科研人员尝试通过研究最简单的活细胞揭示适用于所有生命系统的普遍规律。1984年Morowitz提议通过研究支原体理解生命的基本原理。而科技的发展使人们不满足于研究自然存在的细胞，于是科研人员投身于构建人造细胞的研究中以期通过“最小细胞”阐释生命。

2022年1月21日伊利诺伊大学香槟分校Zaida Luthey-Schulten等人[1]在《Cell》上发表了名为”Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell”的文章。作者在前人研究的基础上构建了只包含少数调节蛋白和RNA的全细胞模型，并且利用该模型研究了细胞的基本生命活动。

构建“最小细胞”的基本原理是通过删除基因组中的非必需基因对自然存在的细胞进行改造。2019年Breuer等人[2]报道合成了人造细胞JCVI-syn3A，该细胞只包含493个基因，大小和基因数量仅是大肠杆菌的十分之一。然而仅仅通过实验观察的方法研究细胞的基本生命过程显然是不够的。描述细胞的状态需要考虑细胞的大小、形状、组成成分、细胞内的反应以及与环境的相互作用，这些都可以看作是细胞生长与时间的函数。此外还需要理论模型来解释和整合大量的实验数据。因此在Breuer等人研究的基础上，作者利用计算机构造了全细胞模型(whole-cell models, WCMs)，定量分析“最小细胞”在没有人为干预情况下的生命规律。

图1 展示了构建全细胞模型的基本流程。首先利用冷冻电镜断层成像技术(cryo-electron tomography, cryo-ET)确定半径约为200nm的细胞内细胞膜和核糖体的位置坐标(图1a)。接着构建核糖体的三维模型，其中黄球代表核糖体，而红、白、篮球代表折叠在核糖体周围晶格上的DNA(图1b)。图1c展示了全细胞模型的三维结构，绿色正方体所代表的细胞膜包裹着核糖体、DNA(该处红、白、蓝线团对应的是染色质状态下的DNA链)和细胞质。在此基础上，作者引入膜蛋白、降解体以及随机分布于细胞质中的蛋白质、mRNA和tRMA(图1d和1e)。构建了全细胞模型后，作者导入了前人研究得出的、BRENDA和其他数据库所记载的代谢速率数据，定义了基本的培养基成分，并结合GPU模拟了20min内细胞的生命活动(图1f-i)。结果表明该模型成功预测了一定时间内处于激活状态下的降解体、RNAP和核糖体数量(图1j-l)。并且该模型计算出的mRNA半衰期、基因转录次数以及mRNA被翻译的次数与先前实验研究结果基本一致(图1m-o)。

接着作者模拟了JCVI-syn3A细胞在一定培养基下的基本代谢过程。由于培养基中唯一糖的来源是葡萄糖，因此代谢过程起始于葡萄糖被摄入细胞后的磷酸化反应。计算整个代谢过程所需要的葡萄糖数量，发现半径约为200 nm的细胞每秒消耗15,000个葡萄糖分子。因为JCVI-syn3A细胞中不包含进行氧化磷酸化的蛋白质，所以细胞内所有的ATP都是由ADP通过丙酮酸激酶转化而来。模拟计算发现在没有其他NTP生成的情况下，细胞每秒最多可以产生45,000个ATP。并且后续研究进一步通过计算不同时间内ATP的消耗，量化了细胞在代谢和处理遗传信息过程中所消耗的能量。此外作者还研究了氨基酸、辅因子、核苷酸和脂质代谢的基本过程。

图3呈现了全细胞模型中DNA复制、染色体复制、细胞体积和表面积随时间发生的变化。比较两个不同细胞在同一时间内亲代和子代染色体的DnaA长度，发现染色体复制的起始时间并非固定不变(图3a)。对174个细胞进行统计分析，亲代染色体的复制起始时间为3到36分钟，子代染色体的复制起始时间为58到110分钟(图3b)。该模型每个细胞最初仅有一条染色体，模拟计算发现在一轮细胞周期结束后，单个细胞内染色体数平均为2.8条，表明至少有一条子代染色体已经部分完成了染色体复制(图3c)。定量聚合酶链式反应(qPCR)实验确定了在指数期和稳定期JCVI-syn3A细胞染色体的起始点、四分之一位置和终止点的相对数量(图3d)。此外研究发现细胞的体积在50到70分钟之间增加一倍，而细胞表面积在88到112分钟之间增加一倍(图3e和3f)。并且在细胞周期内，蛋白质表面积与脂质表面积之比始终为55：45。

然后作者利用模型研究了细胞代谢与基因表达之间的关系。图4a展示了细胞周期中JCVI-syn3A细胞的基本代谢过程，主要阐释了ATP与GTP相互转化、核苷酸代谢以及糖酵解过程之间的相互作用。糖酵解和核苷酸代谢通过PYK反应将(d)NDP转化为(d)NTP，该过程需要消耗PEP。由于JCVI-syn3A细胞基因组中不包含葡萄糖激酶，因此作者假设该细胞只能通过PtsG磷酸化葡萄糖。所以当PYK反应使用了一半以上的PEP，葡萄糖摄取将逐渐减少，并最终导致细胞耗尽PEP进而停止摄取葡萄糖。模拟实验发现，207个细胞中大约16%的细胞发生了PEP耗尽，而剩下174个细胞能够成功完成一个细胞周期。图4b呈现了两个细胞的DNA复制、转录和翻译随时间发生的变化，其中橙色代表在细胞周期中DNA只复制了一次的细胞，而绿色代表复制了两次的细胞。结果表明细胞周期内发生多次复制的细胞(绿色)由于需要转录更多的RNA，消耗了更多的NTPs，从而使其转录速率下降。此外作者还研究了细胞内的酶和关键代谢产物的浓度随时间发生的变化。

与原有模拟方法相比，作者使用的方法能更好地定量分析细胞周期内的代谢和遗传信息加工过程。尽管全细胞模型所计算出的大部分数据与先前实验研究的结果基本一致，然而DNA复制过程中形成的起始点与终止点的数量比qPCR实验中观察到的更低。作者表示未来会进一步优化模拟方法，从而使预测数据更贴近在实验中观察到的结果。总之利用“最小细胞”构建出准确预测细胞行为的计算机模型，有助于科研人员研究生命的基本过程并预测基因组变化所带来的影响。或许在不久的未来，科学会帮助我们揭开“什么是生命”这一问题的神秘面纱。 

相关连接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867421014884  

教授介绍

ZaidaLuthey-Schulten为美国伊利诺伊大学香槟分校的教授，1975年获得哈佛大学应用数学博士学位。她所在课题组的主要研究方向是生物物理学，致力于研究蛋白质折叠、染色体结构、最小细胞的生命规律。她的团队在Cell、Nat Commun、eLife等杂志上发表多篇研究性论文。

参考文献

[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.