利用大規(guī)模的計(jì)算機(jī)建模，研究人員已經(jīng)證明了限制對細(xì)胞內(nèi)大分子的影響 - 并且邁出了模擬活細(xì)胞的第一步，這種能力可以讓他們在現(xiàn)實(shí)生物中詢問“假設(shè)”問題。 。這項(xiàng)工作可以幫助科學(xué)家更好地理解細(xì)胞之間的信號傳遞，并為設(shè)計(jì)新的治療方法提供見解。例如，模擬顯示擁擠細(xì)胞內(nèi)的顆粒傾向于在細(xì)胞壁附近徘徊，而細(xì)胞內(nèi)粘性液體的限制導(dǎo)致顆粒比無限制空間中的顆粒移動(dòng)得更慢。

該研究被認(rèn)為是第一個(gè)考慮限制對細(xì)胞內(nèi)大分子動(dòng)力學(xué)影響的研究。在美國國家科學(xué)基金會(huì)的支持下，研究結(jié)果于11月16日在美國國家科學(xué)院院刊上發(fā)表。

該研究是佐治亞理工學(xué)院計(jì)算科學(xué)與工程學(xué)院副教授Edmond Chow和佐治亞理工學(xué)院生物學(xué)教授Jeffrey Skolnick之間的跨學(xué)科合作。他們的目標(biāo)是開發(fā)和研究模擬細(xì)胞內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的模型，并開發(fā)用于進(jìn)行大規(guī)模模擬的高級算法和計(jì)算技術(shù)。

“我們正在為模擬真實(shí)細(xì)胞所需的工作奠定基礎(chǔ)，”斯科爾尼克說。“我們希望將足夠的真實(shí)細(xì)胞放在一起，以便能夠理解生命中所有的細(xì)胞生化原理。這將使我們能夠提出我們現(xiàn)在不能問的問題。”較早的模擬產(chǎn)生了更低的保真度，他們認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與無限空間中的運(yùn)動(dòng)相同。

Skolnick將活細(xì)胞內(nèi)部與大型新年前夜派對進(jìn)行了比較，甚至可能在時(shí)代廣場。“這有點(diǎn)像擁擠的聚會(huì)，擁有大人物和小人物，蛇 - DNA鏈 - 四處奔跑，一些非常大的分子和一些非常小的分子，”他說。“這是一個(gè)非常多樣化和密集的環(huán)境，占據(jù)了40%的體積。”

模擬顯示，細(xì)胞壁附近的分子往往會(huì)在那里停留很長一段時(shí)間，就像新人可能被推向新年前夜派對的墻壁一樣。附近粒子的運(yùn)動(dòng)也趨于相關(guān)，這些相關(guān)性似乎與水動(dòng)力有關(guān)。

“這些相互作用的生命周期得到了加強(qiáng)，這就是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生生物相互作用所需要的，”斯科爾尼克說。“這種在墻附近徘徊對于理解其他相互作用非常重要，因?yàn)槿绻衼碜云渌?xì)胞的信號蛋白，它們會(huì)首先與這些顆粒結(jié)合。這可能對信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)方式產(chǎn)生重要影響。”

然而，對于細(xì)胞中間的顆粒，情況則不同。這些分子主要與附近的分子相互作用，但它們?nèi)匀桓惺艿郊?xì)胞壁的影響，即使它相對較遠(yuǎn)。

斯科爾尼克說：“在細(xì)胞中間移動(dòng)的速度比細(xì)胞無限大時(shí)要慢。” “這可能會(huì)增加代謝通量的可能性，因?yàn)槟惚仨殞⒎肿訋У胶献骰锇橹車?。如果它們移?dòng)緩慢，他們有更多的時(shí)間作出反應(yīng)，因?yàn)橐馔獾挠H密互動(dòng)是不可避免的。”

雖然活動(dòng)速度在數(shù)量上有所減緩，但在質(zhì)量上卻是同一種運(yùn)動(dòng)。“慢動(dòng)作是一把雙刃劍，”斯科爾尼克解釋道。“如果你碰巧在附近，如果你的速度較慢，你很可能會(huì)有相互作用。但如果你不在附近，那么速度越慢，就越難在附近，影響潛在的互動(dòng)。”

研究人員還比較了不同大小的粒子系統(tǒng)的活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)具有不同大小的粒子并沒有在分子的整體行為上產(chǎn)生明顯的差異。雖然模擬不包括細(xì)胞中也存在的DNA鏈或代謝物顆粒，但它們確實(shí)包含了多達(dá)五十萬個(gè)物體。使用布朗和斯托克斯物理學(xué)原理，Skolnick和Chow考慮了粒子在直徑為幾微米的受限球形單元內(nèi)的作用。

“從計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果來看，我們可以測量我們認(rèn)為可能有趣的東西，例如靠近墻壁和遠(yuǎn)離墻壁的擴(kuò)散速率，”Chow說。“在我們發(fā)現(xiàn)某些事情迫使我們提出更多問題和分析更多數(shù)據(jù)之前，我們通常不知道我們在尋找什么。”

這種模擬需要大量的計(jì)算時(shí)間，因此所使用的算法必須足夠高效才能在合理的時(shí)間內(nèi)完成。算法的“藝術(shù)”與處理時(shí)間的保真度有關(guān)。即使模擬非常大，他們也設(shè)法研究受限粒子的動(dòng)作不超過毫秒。“這部分技術(shù)是猜測什么是一個(gè)合理的近似模擬系統(tǒng)，但不是那么簡單，不能輕易或太復(fù)雜，你不能超過模擬的幾個(gè)步驟，”Chow解釋說。 。

當(dāng)然，科學(xué)家們可以研究真實(shí)的細(xì)胞。但是模擬提供了真實(shí)無法做到的事情：能夠打開或關(guān)閉某些力來隔離其他過程的影響。例如，在Skolnick和Chow希望建造的模擬細(xì)胞中，他們將能夠打開和關(guān)閉水動(dòng)力，使他們能夠研究這些力對真實(shí)細(xì)胞功能的重要性。

模擬結(jié)果可以表明通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)或拒絕假設(shè)，這可以導(dǎo)致進(jìn)一步的問題和模擬。“這成為了一個(gè)可以用來理解真實(shí)細(xì)胞的工具，”周說。“這是一個(gè)虛擬系統(tǒng)，你可以用它來玩你想要的所有游戲。”