نجح فريق من الباحثين لأول مرة في محاكاة دورة حياة الخلية الحية بالكامل باستخدام الحاسوب، بدءًا من تضاعف الحمض النووي وحتى انقسام الخلية. ويتيح هذا النموذج المفصل تتبع سلوك آلاف الجزيئات داخل الخلية في الوقت الفعلي، ودراسة العديد من العمليات البيولوجية في آن واحد.
نجح فريق من الباحثين لأول مرة في محاكاة دورة حياة الخلية الحية بالكامل على جهاز كمبيوتر، بدءًا من تضاعف الحمض النووي وحتى انقسام الخلية. ويتيح هذا النموذج المفصل تتبع سلوك آلاف الجزيئات داخل الخلية في الوقت الفعلي، ودراسة العديد من العمليات البيولوجية في آن واحد.
نجح باحثون في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين في محاكاة دورة حياة خلية بكتيرية أساسية، بدءًا من تضاعف الحمض النووي، مرورًا بترجمة البروتين والتمثيل الغذائي، وصولًا إلى انقسام الخلية. يفتح هذا العمل آفاقًا جديدة لفهم العمليات الأساسية للحياة بدقة غير مسبوقة.
تم نشر الدراسة، التي قادها البروفيسور زان لوثي شولتن من قسم الكيمياء بالجامعة، في مجلة Cell.
تطلّب هذا سنوات من العمل، وموارد حاسوبية هائلة، ومجموعات بيانات تجريبية ضخمة، ومزيجًا من الأساليب التجريبية والحسابية المتقدمة. كان على الباحثين مراعاة كل جين، وبروتين، وجزيء RNA، وتفاعل كيميائي يحدث في الخلية، وذلك لإعادة إنتاج التوقيت الدقيق للأحداث الخلوية. على سبيل المثال، كان على النموذج أن يعكس بدقة العملية التي يتضاعف فيها حجم الخلية قبل انقسامها.
ولجعل المهمة أكثر جدوى، استخدم الباحثون خلية حية "بسيطة" طُوّرت في معهد جيه كريج فينتر في كاليفورنيا. الخلية المختارة للدراسة، JCVI-syn3A، أو Syn3A اختصارًا، هي بكتيريا مُعدّلة وراثيًا بحيث لا يحتوي جينومها إلا على الجينات الضرورية للحياة - تضاعف الحمض النووي، والنمو، والانقسام، ومعظم الوظائف البيولوجية الأساسية.
بحسب لوتاي شولتن:
"هذا نموذج ثلاثي الأبعاد ديناميكي بالكامل لخلية حية بوظائفها الأساسية فقط، يحاكي ما يحدث في الخلية الحقيقية. لم يكن هذا المشروع الشامل ممكناً إلا بفضل تعاون واسع النطاق بين الباحثين في جامعة إلينوي وكلية الطب بجامعة هارفارد."
تحتوي خلية Syn3A على أقل من 500 جين، تقع جميعها على شريط دائري واحد من الحمض النووي. وقد قدمت مختبرات الباحثين أنجاد ميهتا من جامعة إلينوي وتايكجيب ها من مستشفى بوسطن للأطفال وكلية الطب بجامعة هارفارد بيانات تجريبية إضافية سمحت بتحسين المحاكاة والتحقق من جوانب مختلفة من نشاط الخلية.
ووفقًا لـ Lotei-Schulten، سمحت هذه البيانات بفهم أفضل لمدى تكرار الحمض النووي وحقيقة أن انقسام خلايا Syn3A متماثل.
تم إجراء عمليات المحاكاة نفسها بواسطة زين ثورنبورغ، وهو زميل ما بعد الدكتوراه في معهد بيكمان للعلوم والتكنولوجيا المتقدمة، وأندرو مايتين، وهو طالب دراسات عليا في مختبر لوتيه شولتن.
على غرار أنواع البكتيريا الأخرى، لا تحتوي خلية Syn3A على نواة. تقع جميع الجزيئات المكونة لها في السيتوبلازم، أو في الغشاء الخارجي، أو تصل من الخارج عبر آليات النقل. الخلية مكتظة بالجزيئات لدرجة أنه عندما أنشأ الباحثون صورًا عالية الدقة للمحاكاة، اضطروا إلى إخفاء بعض المكونات للسماح برؤية تراكيب أخرى. على سبيل المثال، عندما أخفوا البروتينات من المحاكاة، أصبح من الممكن رؤية كيف يتشابك الكروموسوم داخل حيز الخلية المكتظ.
اكتشف الباحثون أن بعض العمليات الخلوية تتطلب قدرة حاسوبية أكبر بكثير من غيرها. فعلى سبيل المثال، أدى تضاعف الكروموسومات إلى إبطاء المحاكاة بشكل ملحوظ، ما ضاعف وقت الحساب تقريبًا. وكان الحل هو تخصيص وحدة معالجة رسومية (GPU) لتضاعف الحمض النووي، بينما تولت وحدة معالجة رسومية أخرى جميع العمليات الخلوية الأخرى. وقد مكّن هذا الفريق من محاكاة دورة خلوية كاملة مدتها 105 دقائق في ستة أيام فقط من وقت الحوسبة.
ووفقًا لثورنبورغ، كان أحد أكبر التحديات هو محاكاة العمليات التي تحدث في وقت واحد في مناطق مختلفة من الخلية.
"لا يُمكن المبالغة في صعوبة محاكاة الأشياء التي تتحرك باستمرار، وقد كان إنجاز ذلك ثلاثي الأبعاد لخلية كاملة إنجازًا كبيرًا"، كما قال. "كان أحد التحديات الأخيرة التي كان علينا أنا وأندرو حلها هو فهم كيفية تفاعل الغشاء والحمض النووي مع بعضهما البعض عندما يكونان في حالة حركة."
على الرغم من أن النموذج لا يحاكي كل ذرة على حدة، بل يستخدم القيم المتوسطة لديناميكيات الجزيئات، فقد تمكن من إعادة إنتاج توقيت العمليات الخلوية بدقة عالية. في عمليات محاكاة متكررة لخلايا ذات ظروف ابتدائية مختلفة قليلاً، حدث تأخر دورة الخلية المحاكاة، في المتوسط، دقيقتين فقط عن الدورة الحقيقية. وقد تم التحقق من صحة عمليات المحاكاة باستمرار باستخدام بيانات تجريبية حقيقية، مما سمح بتحسين النموذج تدريجيًا.
يقول لوتي-شولتن إن القدرة على محاكاة الظروف المتغيرة داخل الخلية الحية بدقة تفتح آفاقاً بحثية جديدة.
وقالت: "لدينا نموذج للخلية الكاملة يتنبأ بالعديد من خصائص الخلية في آن واحد. فإذا أردتَ معرفة ما يحدث في استقلاب النيوكليوتيدات، على سبيل المثال، يمكنك أيضاً معرفة ما يحدث في تضاعف الحمض النووي أو تكوين الريبوسومات. وهذا يعني أن المحاكاة يمكن أن توفر نتائج من مئات التجارب في وقت واحد."
يشمل مؤلفو الدراسة أيضًا خريجي جامعة إلينوي بنجامين جيلبرت وجون جلاس، الذي يقود مجموعة البيولوجيا التركيبية في معهد جيه كريج فينتر.
أُجري البحث في إطار مركز العلوم والتكنولوجيا لعلم الأحياء الخلوي الكمي التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF). واستُخدم في الحسابات نظام الحوسبة المتقدم "دلتا"، الذي يُشغَّل بالتعاون مع جامعة إلينوي والمركز الوطني لتطبيقات الحوسبة الفائقة.
المقالة:
"إحياء الخلية ذات التركيب الجيني البسيط على جهاز كمبيوتر بتقنية الأبعاد الرباعية"
المجلة: الخلية
DOI: 10.1016 / j.cell.2026.02.009
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
هذا إنجاز، لكن يبدو لي أنه في المستقبل القريب سيتضاءل أمام ما سيفعله الذكاء الاصطناعي في هذا الصدد باستخدام AlphaCell أو شيء مشابه.
أشعر وكأنني قرأت أن هناك نسخة جديدة من أغنية "ديب بلو" بتقييم ELO يبلغ 3500.