علماء الأحياء يطورون أول نموذج محوسب لكائن وحيد الخلية في مجمله، وهو النموذج الذي سيكون بمثابة أداة جديدة وقوية لفهم آلية الحياة
خطرت ببالي هذه الرؤية الحاسمة بينما كنت أقود دراجتي بتكاسل إلى المنزل من العمل. كان ذلك في عام 2008 في عيد الحب. وبينما كنت أركب السيارة، فكرت في مشكلة شغلتني وآخرين في هذا المجال لأكثر من عشر سنوات: هل هناك أي طريقة لتطوير محاكاة حاسوبية للحياة، بما في ذلك كل الكيمياء الحيوية الرائعة والغامضة والمعقدة بشكل مثير للغضب والتي تكمن وراء الحياة؟
إن النموذج المحوسب للخلية الحية، حتى لو لم يكن المخطط التفصيلي دقيقًا تمامًا، سيكون أداة فعالة بشكل لا يصدق. وسيتمكن علماء الأحياء من استخدامه لاختبار أفكار التجارب قبل تخصيص الوقت والمال لإجراء التجارب في المختبر. على سبيل المثال، سوف يتمكن مطورو الأدوية من تسريع أبحاثهم لاكتشاف مضادات حيوية جديدة من خلال التركيز على الجزيئات التي يؤدي تثبيطها إلى إزعاج البكتيريا الافتراضية إلى أقصى حد. سيكون المهندسون الحيويون مثلي قادرين على زرع وإعادة توصيل جينات الكائنات الافتراضية لتصميم سلالات جديدة ذات خصائص خاصة، على سبيل المثال القدرة على إصدار ضوء الفلورسنت استجابة للعدوى بفيروس معين، أو القدرة على إنتاج غاز الهيدروجين من النفط، دون الحاجة إلى ذلك. المخاطر التي ينطوي عليها تغيير البكتيريا الحقيقية. في نهاية المطاف، إذا تمكنا من معرفة كيفية جعل النماذج متطورة بما يكفي لمحاكاة الخلايا البشرية، فسنقوم بإنشاء أدوات يمكن أن تحدث ثورة في الأبحاث الطبية من خلال تزويد الباحثين بطريقة لإجراء دراسات غير ممكنة اليوم لأن العديد من أنواع الخلايا البشرية لا تنمو. في الثقافة.
لكن كل هذا يبدو وكأنه حلم بعيد المنال في غياب طريقة عملية لكشف الشبكة المعقدة من التفاعلات الكيميائية والروابط الفيزيائية التي تمكن الخلية الحية من أداء وظائفها. واجهت العديد من المحاولات السابقة، في مختبري في جامعة ستانفورد، وكذلك في مختبرات أخرى، صعوبات لا يمكن التغلب عليها، وقد فشل بعضها في المقام الأول.
ولكن بينما كنت أتجول ببطء حول الحرم الجامعي في ذلك المساء الشتوي، فكرت في دراسة حديثة كنت أقوم بها والتي كنت أقوم فيها بتوثيق الصور ومقاطع الفيديو للخلايا الحية. ثم خطر ببالي أن طريقة إنتاج جهاز محاكاة عملي وواقعي هو اختيار واحدة من أبسط أنواع البكتيريا، وهي بكتيريا تسمى الميكوبلازما التناسلية، وبناء نموذج لبكتيريا واحدة. إن قصر التصوير على خلية واحدة فقط سوف يبسط المشكلة حتى نتمكن، من حيث المبدأ، من تضمين كل قطعة بيولوجية تم تسجيلها في هذه الخلية: إعداد كل مشرع في سلم الحمض النووي الملفوف، ونسخ كل جين في الحمض النووي لنسخ الحمض النووي الريبوزي (RNA)، وإنتاج كل إنزيم أو بروتين آخر يتم إنتاجه وفقًا لتعليمات الحمض النووي الريبي (RNA)، والاتصال بين كل من هذه العناصر والعديد من العناصر الأخرى، وكل ذلك يؤدي في النهاية إلى نمو الخلية وانقسامها إلى خليتين "بنتتين" . سوف يعيد التصور، تقريبًا من المبادئ الأساسية، دراما الحياة وحيدة الخلية في مجملها.
في التجارب السابقة، حاولوا دائمًا محاكاة مستعمرة كاملة من الخلايا لأن معظم المعلومات التي لدينا حول سلوك الخلية تأتي من مجموعات سكانية وليس من خلايا مفردة. ومع ذلك، فإن التقدم في مجالات علم الأحياء والكمبيوتر قد سهل إجراء الدراسات على الخلايا المفردة. أدركت الآن أن الأدوات متاحة لتجربة نهج مختلف.
تسابقت الأفكار في رأسي. بمجرد عودتي إلى المنزل، بدأت في وضع خطط لجهاز المحاكاة. في صباح اليوم التالي، بدأت في كتابة كود برمجي لبعض العمليات العديدة التي تحدث في الكائنات الحية الدقيقة. وفي غضون أسبوع، أكملت عدة نماذج أولية، كل منها عبارة عن برنامج يمثل عملية خلوية معينة. قدمت الوحدات مخرجات تبدو واقعية تمامًا.
لقد عرضت العمل على حفنة من علماء الأحياء. معظمهم اعتقدوا أنني مجنون. لكنني شعرت أنني "على وشك" شيء ما، واعتقد اثنان من طلاب الدكتوراه المتميزين والجريئين، جوناثان آر كار وجيوديتا ك. سانجيبي، أن هناك إمكانية لتحقيق ذلك في منهجي واتفقا على العمل معي على مشروع. يتضمن استكمال النموذج الحاسوبي إنشاء العشرات من هذه الوحدات، ومسح ما يقرب من 1,000 مقالة علمية بحثًا عن البيانات البيوكيميائية، واستخدام هذه القيم لتقييد وضبط آلاف المعلمات، مثل مدى ارتباط الإنزيمات بجزيئاتها المستهدفة وكيفية في كثير من الأحيان، تقوم البروتينات التي تقرأ الحمض النووي بإزاحة بعضها البعض من الحلزون المزدوج كنت أخشى أنه حتى بمساعدة التعاونيات وطلاب الدكتوراه، فإن المشروع سيستغرق سنوات، لكنني اعتقدت أيضًا أنه سيكون ناجحًا في النهاية. لم يكن هناك طريقة لمعرفة ذلك على وجه اليقين، ولكن المحاولة.
تحدي كبير
أثناء الاستعداد لغزو الجبل، ألهمنا المستكشفون الأوائل الذين حلموا بإنشاء نموذج للحياة. وفي عام 1984، رسم هارولد مورويتز، الذي كان آنذاك في جامعة ييل، الطريق. ولاحظ أن أبسط البكتيريا التي تمكن علماء الأحياء من زراعتها في المزرعة، وهي الميكوبلازما، كانت بداية منطقية. وبصرف النظر عن كونها صغيرة للغاية وبسيطة نسبيا، فإن سلالتين من الميكوبلازما تسبب المرض لدى البشر: البكتيريا الطفيلية المنقولة جنسيا، M. الأعضاء التناسلية، التي تزدهر في المسالك البولية والمهبل، و الالتهاب الرئوي، والذي يمكن أن يسبب التهابًا رئويًا خفيفًا. سيكون نموذج كل سلالة مفيدًا من الناحية الطبية، وسيكون أيضًا بمثابة مصدر للرؤى في علم الأحياء الأساسي.
وقال مورويتز إن الخطوة الأولى يجب أن تكون تحديد تسلسل جينوم البكتيريا المختارة. أكمل ج. كريغ فنتر وزملاؤه في معهد أبحاث الجينوم (TIGR) هذه المهمة في السلالة M. الأعضاء التناسلية في عام 1995. تحتوي البكتيريا على 525 جينًا فقط. (للمقارنة، تحتوي الخلايا البشرية على أكثر من 20,000 خلية).
كنت طالب دكتوراه في سان دييجو، عندما خلصت مجموعة البحث في TIGR، بعد أربع سنوات، إلى أن حوالي 400 فقط من هذه الجينات ضرورية لدعم الحياة (طالما أن البكتيريا تنمو في وسط استنباتي غني). انتقل فنتر وزملاؤه إلى أبعد من ذلك، وأسسوا شركة سيليرا وتنافسوا مع الحكومة الأمريكية لتسلسل الجينوم البشري. لقد قاموا بتجميع الجينات الأساسية لسلالة واحدة من الميكوبلازما وأظهروا أنها تعمل داخل الخلية.
بالنسبة لي ولغيري من علماء الأحياء الشباب في أواخر التسعينيات، كانت هذه المجموعة بمثابة ليد زيبلين لعلم الأحياء: أكبر من الحياة، منتهكي التقاليد يعزفون موسيقى لم نسمعها من قبل. وقال كلايد تشينسون، أحد علماء الأحياء في مجموعة فنتر، إن الاختبار الحقيقي لكيفية فهمنا للخلايا البسيطة لن يكون إلا عندما يقوم شخص ما بتطوير نموذج حاسوبي لمثل هذه الخلية. في المختبر، يمكنك بناء خلية نشطة من خلال ضم أجزاء منفصلة دون فهم كل التفاصيل التي تجعلها تعمل معًا. ليس الأمر كذلك عندما يتعلق الأمر بالبرمجيات.
كما دعا مورويتز أيضًا إلى بناء جهاز محاكاة للخلية الحية استنادًا إلى جينوم الميكوبلازما. وادعى أن "أي تجربة يمكن إجراؤها في المختبر يمكن إجراؤها أيضًا على الكمبيوتر. "إن درجة الاتفاق بين النتائج [التجريبية والتصويرية] هي مقياس لمدى اكتمال نموذج البيولوجيا الجزيئية"، أي النظرية التي تشرح كيفية تفاعل الحمض النووي والجزيئات الأخرى في الخلية مع بعضها البعض لخلق الحياة. نحن نعلم. بمعنى آخر، عندما نجمع الأجزاء معًا، نفهم بشكل أفضل الأجزاء والعلاقات المتبادلة المفقودة من نظريتنا.
وعلى الرغم من أن أجهزة تسلسل الحمض النووي عالية الإنتاجية ومعدات المختبرات الآلية قد ساهمت بشكل كبير في تسريع عملية البحث عن القطع المفقودة، إلا أن الطوفان الناتج من تسلسلات الحمض النووي وأنماط النشاط الجيني لم يأت مع تعليمات حول كيفية تجميع كل القطع معًا. أطلق رائد علم الوراثة سيدني برينر على هذا النوع من الأبحاث اسم "علم الأحياء الذي يفتقر إلى البيانات، والإنتاجية العالية، والفهم صفر"، لأن التجارب في كثير من الأحيان لا تعتمد على فرضيات وتوفر القليل من المعرفة المخيبة للآمال حول الأنظمة الأكبر التي تجعل الحياة تعمل بشكل صحيح - أو انفصال. .
ويفسر هذا الوضع لماذا، على الرغم من العناوين الرئيسية التي تعلن بشكل متكرر عن اكتشاف جينات جديدة مرتبطة بالسرطان أو السمنة أو مرض السكري، فإن علاج هذه الأمراض لا يزال بعيد المنال إلى حد مثير للغضب. يبدو أنه لن يتم العثور على علاج إلا عندما نتمكن من فك تشابك عشرات أو حتى مئات العوامل التي تتفاعل مع بعضها البعض، حتى لو بطرق غير بديهية في بعض الأحيان، وتسبب هذه الأمراض.
أدرك رواد التصوير الحاسوبي للخلية أن محاكاة الخلايا الكاملة التي تحتوي على جميع المكونات الخلوية وشبكة التفاعلات بينها ستكون بمثابة أدوات قوية للسيطرة على النظام في المعرفة البيولوجية غير المنظمة والمجزأة. وبحكم طبيعته، فإن تصوير خلية حية سوف يلخص مجموعة واسعة من الفرضيات حول ما يحدث في الخلية إلى خوارزميات رياضية صارمة.
الرسوم التوضيحية التي غالبًا ما توجد في المقالات العلمية، والتي توضح أن العامل X يتحكم في الجين Y... بطريقة ما... بعيدة جدًا عن الدقة الكافية لكتابة برنامج كمبيوتر. يعبر المبرمجون عن العمليات كمعادلات، مثل المثال البسيط Y=aX+b، حتى لو كان عليهم إجراء تخمين مدروس حول ماهية قيم a وb. إن الحاجة إلى الدقة توضح في نهاية المطاف ما هي التجارب التي يجب إجراؤها في المختبر لملء الفجوات في المعرفة الحالية حول معدل التفاعلات الكيميائية والمقاييس الأخرى.
وفي الوقت نفسه، كان من الواضح أنه بمجرد التحقق من النموذج وإثبات دقته، فإنه سيحل محل تجارب معينة، وسيتم استخدام التجارب المعملية باهظة الثمن للإجابة على الأسئلة التي لا يمكن الإجابة عليها إلا بمساعدة عمليات المحاكاة. كما أن محاكاة التجارب التي تنتج نتائج مذهلة ستساعد الباحثين على تحديد الأولويات في أبحاثهم وتسريع وتيرة الاكتشافات العلمية. في الواقع، تعمل النماذج كأدوات مغرية للتمييز بين السبب والنتيجة، حتى أن ماسارو توميتا من جامعة كيو بيفو أعلن في عام 2001 أن تصوير الخلية الكاملة هو "التحدي الأكبر في القرن الحادي والعشرين".
عندما كنت طالبة دكتوراه، أعجبت بالنتائج الأولية التي توصل إليها كبار الباحثين في تطوير النماذج الخلوية في ذلك الوقت [انظر الإطار في الصفحة المقابلة]، وتطور لدي "جنون" تجاه هذا التحدي الكبير. وحتى عندما قمت بإعداد مختبري الخاص وركزت على تطوير طرق التصوير (البصري) للخلايا المفردة، ظل التحدي قائمًا في أفكاري. وبعد ذلك، أثناء رحلتي بالدراجة إلى المنزل في فبراير/شباط 2008، رأيت طريقة لمواجهة التحدي.
رؤيتان حاسمتان
كان من الواضح أنه قبل أن نتمكن من تطوير محاكاة لدورة حياة البكتيريا التي ستكون دقيقة بما يكفي لتقليد سلوكها المعقد وتحقيق اكتشافات جديدة في علم الأحياء، يتعين علينا حل ثلاث مشاكل. أولاً، كان علينا تشفير جميع الأنشطة المهمة في معادلات رياضية وخوارزميات، بدءًا من تدفق الطاقة والمواد المغذية ومنتجات التفاعل الكيميائي عبر الخلية (أي استقلابها)، مرورًا بتركيب وتكسير الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات. وانتهاءً بنشاط العديد من الإنزيمات. ثانياً، كان علينا دمج كل هذه الأنشطة في إطار عام واحد. وكانت المشكلة الأخيرة هي الأصعب على الإطلاق: وهي تحديد الحدود العليا والدنيا لحوالي 1,700 متغير في النموذج، بحيث تكون لها قيم صحيحة بيولوجيًا، أو على الأقل بنفس الترتيب من حيث الحجم.
أدركت أنه بغض النظر عن مدى دقة فحصنا للأدبيات المتعلقة بـ M. الأعضاء التناسلية وأقاربها في البحث عن هذه المتغيرات (انتهى بي الأمر أنا وكار وسانجيبي بقضاء عامين في جمع البيانات من حوالي 900 مقالة)، سيتعين علينا أن نكتفي في بعض الحالات بالتخمينات المدروسة أو استخدام نتائج التجارب التي أجريت على بكتيريا مختلفة تمامًا ، مثل الإشريكية القولونية، للحصول على أرقام معينة، على سبيل المثال، كم من الوقت، في المتوسط، تبقى نسخ الحمض النووي الريبي (RNA) في الخلية قبل أن تقوم الإنزيمات بتفكيكها لإعادة تدوير مكوناتها. وبدون وسيلة للحد من هذه التخمينات واختبارها، لم يكن لدينا أي فرصة للنجاح.
في تلك اللحظة من التنوير في عام 2008، أدركت أن تطوير نموذج لخلية واحدة وليس لمجموعة من الخلايا، على عكس جميع الدراسات التي أجريت تقريبًا حتى تلك اللحظة، من شأنه أن يسمح لنا بوضع الحدود التي نحتاجها. خذ على سبيل المثال النمو والتكاثر. ينمو عدد كبير من الخلايا على مراحل. إن ولادة أو موت خلية واحدة لا يغير الكثير. لكن بالنسبة لخلية واحدة، يعد الانقسام حدثًا دراماتيكيًا للغاية. قبل أن تنقسم الخلية إلى قسمين، يجب على الكائن الحي مضاعفة كتلته، وليس فقط الكتلة الإجمالية. يجب مضاعفة كميات الحمض النووي، وغشاء الخلية، وكل نوع من البروتين اللازم للبقاء على قيد الحياة. إذا كان النموذج يقتصر على خلية واحدة، فيمكن للكمبيوتر في الواقع حساب كل جزيء وتتبعه طوال دورة الخلية بأكملها. ويمكنه أيضًا التحقق من توازن جميع الأرقام عندما تتحول خلية واحدة إلى خليتين.
علاوة على ذلك، تتكاثر الخلية الواحدة بمعدل ثابت. من. فالأعضاء التناسلية، على سبيل المثال، تنقسم كل 9 إلى 10 ساعات في ظل الظروف المخبرية العادية. نادرًا ما تنقسم الخلايا في أقل من ست ساعات أو أكثر من 15 ساعة. إن شرط أن الخلية يجب أن تنسخ جميع محتوياتها وفق هذا الجدول الزمني الصارم يسمح لنا باختيار مجالات معقولة للعديد من المتغيرات التي لا يمكن تحديدها في ظل ظروف أخرى، مثل تلك التي تحدد متى سيبدأ تضاعف الحمض النووي.
لقد جمعت فريقًا من علماء الفيزياء وعلماء الأحياء وأخصائيي الكمبيوتر وحتى مهندس برمجيات كان يعمل في Google، وناقشنا الأساليب الرياضية التي يجب اتباعها. قام مايكل شولر، مهندس الطب الحيوي في جامعة كورنيل، والذي كان رائدًا في عمليات المحاكاة الحاسوبية للخلايا، ببناء نماذج مثيرة للإعجاب باستخدام المعادلات التفاضلية العادية. قام بيرنهارد بيلسون، الذي درست معه في سان دييغو، بتطوير طريقة قوية تسمى تحليل التدفق والتوازن (FBA) لبناء نماذج حاسوبية لعملية التمثيل الغذائي. لكن آخرين أظهروا أن العشوائية عنصر مهم في نسخ الجينات، وأن انقسام الخلايا يجب أن يتضمن تغييرات في هندسة غشاء الخلية. الأساليب التي وصفتها لا تعالج هذه الجوانب. لقد أدركت بالفعل، كطالب دكتوراه، أنه لا توجد طريقة واحدة قادرة على العمل كنموذج لجميع أنشطة الخلية. في الواقع، أظهرت أطروحتي للدكتوراه طريقة للجمع بين نهجين رياضيين منفصلين في جهاز محاكاة واحد.
ولهذا السبب قررنا إنشاء نموذج لخلية كاملة كمجموعة مكونة من 28 وحدة مختلفة، تستخدم كل منها الخوارزمية الأكثر ملاءمة للعملية البيولوجية ومستوى المعرفة التي لدينا عنها [انظر الإطار في الصفحة 48]. ومع ذلك، كانت هذه الاستراتيجية بمثابة مجموعة خليط من العمليات الرياضية. كان علينا أن نخيطهم معًا بطريقة ما للحصول على هيكل واحد كامل.
تذكرت الدورة التي أخذتها في شهادتي الأولى حول التخطيط لمصنع كيميائي. بالنسبة للمشروع النهائي في الدورة، استخدمنا حزمة محاكاة قوية، تسمى HYSYS، لتصميم مصفاة كبيرة. لقد سمح لنا نظام HYSYS بتصميم كل تفاعل كيميائي رئيسي كما لو كان يحدث في وعاء منفصل. تربط الأنابيب مخرج سفينة واحدة بمدخل السفن الأخرى. يربط هذا الهيكل العديد من أنواع العمليات الكيميائية بنظام منظم وواضح.
وخطر لي أن هذا النهج، مع التعديلات اللازمة، قد يكون مناسبًا لمحاكاة خليتنا إذا اتفقنا على وضع افتراض مهم من شأنه تبسيط العملية: وهو أنه حتى العمليات البيولوجية التي تحدث في نفس الوقت في الخلية الحية، تكون مستقلة بعضها البعض في فترات زمنية أقل من ثانية واحدة. إذا كان هذا الافتراض صحيحًا، فيمكننا تقسيم عمر الخلية إلى ثوانٍ وتشغيل كل وحدة من الوحدات الـ 28 بالترتيب لمدة ثانية واحدة قبل تحديث تجمع متغيرات الخلية. سيعبر النموذج عن جميع العلاقات المتبادلة للكيمياء الحيوية، مثل اعتماد نسخ الجينات وتخليق الحمض النووي على الطاقة والنيوكليوتيدات المنتجة في عملية التمثيل الغذائي، ولكن فقط بأحجام تزيد عن ثانية واحدة.
لم يكن لدينا أي دليل نظري على أنها ستنجح. لقد كانت مسألة إيمان.
عندما بنينا خليتنا الافتراضية، أدخلنا فيها برنامج استشعار وظيفته قياس ما يحدث في الداخل. بلغت كل عملية تشغيل للمحاكاة، والتي تضمنت دورة الخلية الكاملة لخلية واحدة، 500 ميغابايت من البيانات. وكان الناتج الرقمي يتدفق إلى ما يشبه لوحة العدادات، مما يعني مجموعة من عشرات الجداول والرسوم البيانية التي من شأنها أن تملأ ملفًا كاملاً.
في البداية كانت النتائج مخيبة للآمال. منذ عدة أشهر، قمنا بإصلاح الأخطاء في البرنامج، وتحسين الرياضيات وإضافة العديد من الحدود الأفضل للمتغيرات، والتي تنشأ من التجارب المعملية. لكن الخلية رفضت الانقسام أو تصرفت بطريقة غير عقلانية. لفترة معينة من الزمن، أنتجت كميات هائلة من الحمض الأميني ألانين والقليل جدًا من كل شيء آخر.
ثم، في أحد الأيام، وصلت البكتيريا السيبرانية لدينا إلى نهاية دورة الخلية وانقسمت بنجاح. وما كان أكثر إثارة هو أن الوقت المضاعف كان حوالي تسع ساعات، تمامًا مثل م. الأعضاء التناسلية الحية. وكانت العديد من الأرقام الأخرى لا تزال مخطئة، لكننا شعرنا أن النجاح كان في متناول اليد.
وبعد بضعة أشهر حضرت مؤتمرًا لمدة يومين في بيثيسدا بولاية ميريلاند، وبين جلسة وأخرى تم استدعائي إلى مكتب الاستقبال.
"دكتور كوفرت؟ لقد تلقيت حزمة."
في غرفتي، فتحت الصندوق وأخرجت ملفًا. قضيت الساعات القليلة التالية وأنا أقلب مئات الصفحات من الرسوم البيانية والجداول المعقدة، وبدأ قلبي يخفق بشدة. بدت معظم البيانات تمامًا مثل البيانات التي تم الحصول عليها من خلية حقيقية. أما الباقي فكان مثيرًا للاهتمام: غير متوقع، ولكنه ممكن من الناحية البيولوجية. وبعد ذلك علمت أننا وصلنا إلى قمة الجبل الذي كان شاهقًا فوقنا منذ سنوات مضت. تم إطلاق أول نموذج محوسب لكائن حي كامل. ماذا سيعلمنا؟
نظرة خاطفة على حياة الخلية
وبعد حوالي عام من تنفيذ الأداة الجديدة التي طورناها، ما زلنا نكتشف أشياء رائعة في كل مرة ندقق فيها في الأعمال الداخلية للكائن الحي الدقيق الافتراضي الذي يحتوي على ملايين التفاصيل المتعلقة بالحياة والتكاثر. لقد وجدنا، لدهشتنا، أن البروتينات تدفع بعضها البعض خارج الحمض النووي في كثير من الأحيان بشكل مدهش، حوالي 30,000 ألف مرة في كل دورة حياة مدتها 9 ساعات. واكتشفنا أيضًا أن زمن التضاعف المستقر للبكتيريا هو في الواقع ظاهرة ناتجة عن علاقات متداخلة معقدة بين مرحلتين منفصلتين من التكاثر، ويمكن أن تختلف مدة كل منهما بشكل كبير. وقد أتاحت لنا مراقبة سلوك الخلية لحظة بلحظة تفسير سبب توقف الخلية عن الانقسام فورًا عندما يتم إسكات جينات معينة، ولكنها تنقسم 10 مرات أخرى قبل أن تموت عندما تتلف جينات أساسية أخرى. يمكن أن تحدث دورات الانقسام الإضافية في الحالات التي تخزن فيها الخلية نسخًا من البروتين المشفر بواسطة الجين أكثر مما هو ضروري لدورة حياة واحدة. يتم تمرير الفائض إلى النسل، ولا يموتون إلا عندما ينفد الاحتياطي في النهاية. هذه النتائج الأولية مثيرة، ولكن قد يستغرق الأمر سنوات لفهم ما تخبرنا به جميع عمليات المحاكاة الحاسوبية حول كيفية عمل هذه البكتيريا والخلايا بشكل عام.
بحثنا عن م. إن الأعضاء التناسلية ما هي إلا خطوة أولى على طريق تطوير نموذج محوسب للخلايا أو الأنسجة البشرية على مستوى الجينات والجزيئات. النموذج الذي لدينا اليوم بعيد عن الكمال، والميكوبلازما هي إلى حد كبير أبسط أشكال الحياة المستقلة الموجودة. جميع عمليات المحاكاة والبرمجيات وقاعدة المعرفة والبيانات التجريبية متاحة مجانًا على الإنترنت، ونحن وباحثون آخرون نعمل بالفعل على تحسين جهاز المحاكاة وتوسيع نشاطه ليشمل مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، مثل E. coli وخميرة Saccharomyces cerevisiae. وهما الكائنان الأكثر شيوعًا في مختبرات الأبحاث في الأوساط الأكاديمية والصناعة.
في هذه السلالات، يكون التحكم في الجينات أكثر تعقيدًا، كما أن الموقع داخل الخلايا حيث تحدث الأحداث المختلفة مهم أيضًا. عندما نتمكن من معالجة هذه المشكلات، أتوقع أن الهدف التالي سيكون خلية فأر أو خلية بشرية، على الأرجح خلية، مثل البلاعم (خلية هجوم الجهاز المناعي)، والتي يمكن زراعتها بسهولة في المزرعة واستخدامها كخلايا هجومية. مصدر للقياسات التي ستساعد في ضبط النموذج ومهاجمته.
لا أستطيع أن أخمن إلى أي مدى نحن اليوم بعيدون عن هذه التكنولوجيا. بالمقارنة مع البكتيريا، تحتوي الخلايا البشرية على العديد من الأجزاء والتحكم الجيني الأكثر شمولاً، وأجزاء كبيرة منها غير معروفة على الإطلاق. علاوة على ذلك، بما أن الخلايا البشرية توجد في الأنسجة متعددة الخلايا، فإن هناك علاقة بينها أوثق بكثير من العلاقة بين البكتيريا.
في 13 فبراير 2013، أود أن أقول إن الأمر سيستغرق عقدًا من الزمن على الأقل قبل أن نتمكن من تطوير نموذج لأبسط خلية، ولن أجرؤ على التفكير في نموذج لأي شيء أكثر تعقيدًا. الآن، يمكن للمرء على الأقل أن يفكر في تطوير نموذج لخلية بشرية، فقط لمعرفة كيف يفشل البرنامج، ومن خلال الإخفاقات لفهم ما هي الأشياء التي لا تزال بحاجة إلى تعلمها عن خلايانا. وحتى هذا سيكون خطوة كبيرة جدًا.
______________________________________________________________________________
عن المؤلف
ماركوس في. كوفيرت هو أستاذ مشارك في الهندسة الحيوية في جامعة ستانفورد، حيث يرأس مختبر بيولوجيا الأنظمة.
باختصار
يمكن لنماذج الكمبيوتر التي تأخذ في الاعتبار نشاط كل جين وكل جزيء في الخلية أن تحدث ثورة في الطريقة التي ندرس بها الأنظمة البيولوجية ونفهمها ونخطط لها.
تم الانتهاء من محاكاة حاسوبية شاملة لبكتيريا معدية شائعة في العام الماضي، وعلى الرغم من أنها لا تزال تعاني من عيوب، إلا أنها تنتج بالفعل اكتشافات جديدة.
يقوم العلماء الآن بتطوير نماذج لكائنات أكثر تعقيدًا. على المدى الطويل، الهدف هو محاكاة الخلايا والأعضاء البشرية بمستوى مماثل من التفاصيل.
المزيد عن هذا الموضوع
فجر بيولوجيا الخلية الافتراضية. بيتر ل. فريدولينو وسعيد توزوي في الخلية، المجلد. 150، لا. 2، الصفحات 248-250؛ 20 يوليو 2012.
نموذج حسابي للخلية الكاملة يتنبأ بالنمط الظاهري من النمط الجيني. جوناثان ر. كار وآخرون. في الخلية، المجلد. 150، لا. 2، الصفحات 389-401؛ 20 يوليو 2012.
سد الطبقات: نحو دمج نقل الإشارة والتنظيم والتمثيل الغذائي في النماذج الرياضية. إيمانويل غونسالفيس وآخرون. في النظم الحيوية الجزيئية، المجلد. 9، لا. 7، الصفحات 1576-1583؛ يوليو 2013.
تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل
