Крейг Вентер - Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

В 1990-х попытка воплотить наши данные по геному в «электронную клетку» была предпринята командой во главе с Масару Томита в Университете Кейо в японском городе Фудзисава. Когда группа в Кейо начала свой проект, было секвенировано всего восемнадцать организмов. Они считали, что беспрецедентное на тот момент количество доступной молекулярной информации по широкому спектру модельных организмов дало бы урожай в виде новых идей относительно внутриклеточных молекулярных процессов. Если имитировать их на компьютере, это позволило бы предсказывать динамическое поведение живых клеток. В компьютере было бы можно исследовать функции белков, взаимодействия между белками и белков с ДНК, регуляцию генной экспрессии и другие детали функционирования клетки. Другими словами, виртуальная клетка могла бы дать новые перспективы в исследованиях как программ жизни, так и ее материальной основы.

Весной 1996 года Томита и его студенты из Лаборатории биоинформатики в Кейо начали исследовать молекулярную биологию Mycoplasma genitalium (которую мы секвенировали в 1995-м) и к концу этого года учредили проект E-Cell («Электронная клетка»). Японская команда сконструировала модель гипотетической клетки всего со 127 генами, которых было достаточно для транскрипции, трансляции и производства энергии. Большинство использованных ими генов они «списали» у Mycoplasma genitalium . В свою модель команда заложила сеть метаболических взаимодействий этого гипотетического генома, в который входили двадцать генов тРНК и два гена рибосомальной РНК. Согласно принятым ими допущениям, клетка пребывала в нереально благоприятных внешних условиях.

Состояние модельной клетки в любой произвольный момент отображалось списком концентраций входящих в нее веществ, а также значений объема клетки, кислотности (pH) и температуры. Для моделирования программы ДНК команда использовала существующее программное обеспечение и разработала сотни правил, которые действуют для многих, но не всех метаболических путей M. genitalium , включая гликолиз, ферментацию лактата, поглощение глюкозы, глицерина и жирных кислот, синтез фосфолипидов, транскрипцию генов, синтез белка, работу полимераз и рибосом, а также деградацию белков и мРНК. Для пущей верности модель была сконструирована так, что ферменты и прочие белки спонтанно деградировали со временем, так что для поддержания «жизни» клетки они должны были постоянно синтезироваться.

Японская команда проводила эксперименты на виртуальной клетке как на «симуляторе двигателя», работающем примерно в двадцать раз медленнее живого организма. Они могли заставить клетку «голодать», убирая из питательной среды глюкозу. При этом они наблюдали, как количество АТФ временно возрастает, но затем резко падает до тех пор, пока клетка наконец не «умирает», исчерпав горючее-АТФ. Если глюкозу возвращали, виртуальная клетка могла оправиться или нет, в зависимости от степени ее истощения. Модель позволяла одним кликом мышкой воспроизвести – миллисекунда за миллисекундой – эффект выключения гена при разных концентрациях разных клеточных веществ. Клетку также можно было «убить», вырубив важный ген, например управляющий синтезом белка, в результате чего все ферменты постепенно деградировали и в конце концов полностью исчезали.

Но в то время, в конце 1990-х, задача связать разные уровни клеточных процессов – от работы генов до обмена веществ и далее – все еще была довольно трудной. Кроме того, формат модели Кейо в 127 генов был меньше «минимального набора генов», установленного нашими генными нокаутами и сравнением последовательностей наших двух первых секвенированных геномов. В результате модельная клетка оказалась «самоподдерживающейся», но неспособной к размножению; ей не хватало биохимических путей для репликации ДНК, генной регуляции и клеточного цикла. И конечно, в то время (как и сегодня), функции многих генов были еще неизвестны, так что для восполнения отсутствующих метаболических функций ученым приходится полагаться на догадки экспертов.

За десять лет со времени создания исходной «электронной клетки» японская команда ушла далеко вперед. Помимо постоянного улучшения модели, они начали моделирование человеческих эритроцитов, нейронов и других типов клеток, а также перешли к задачам, дополняющим работу по виртуальным клеткам, – таким как определение ответов E. coli на генетические и экологические проблемы. Эти работы показывают, что сеть метаболических взаимодействий внутри клетки чрезвычайно прочна благодаря ее избыточности {198} 198 Ishii, Nobuyoshi, Kenji Nakahigashi, Tomoya Baba, Martin Robert, Tomoyoshi Soga, Akio Kanai, Takashi Hirasawa, Miki Naba, Kenta Hirai, Aminul Hoque, Pei Yee Ho, Yuji Kakazu, Kaori Sugawara, Saori Igarashi, Satoshi Harada, Takeshi Masuda, Naoyuki Sugiyama, Takashi Togashi, Miki Hasegawa, Yuki Takai, Katsuyuki Yugi, Kazuharu Arakawa, Nayuta Iwata, Yoshihiro Toya, Yoichi Nakayama, Takaaki Nishioka, Kazuyuki Shimizu, Hirotada Mori, and Masaru Tomita. “Multiple High-Throughput Analyses Monitor the Response of E. coli to Perturbations.” Science 316, 27 апреля 2007 (5824), стр. 593. .

Самая свежая работа на Mycoplasma genitalium была сделана в Америке системным биологом Маркусом Кавертом из Стэнфордского университета. Его команда использовала наши данные по геному, чтобы создать виртуальную версию, которая очень походила на живую микоплазму. Это достижение опиралось на синтез большого объема информации, включая данные из более чем 900 научных статей о геноме этого существа, его транскриптоме, протеоме, метаболоме [27] Транскриптом – совокупность всех молекул РНК данной клетки или организма; протеом – совокупность всех белковых молекул, метаболом – совокупность всех низкомолекулярных соединений, являющихся конечными продуктами обмена веществ (метаболизма). и всяких прочих «-омах», которые вы можете придумать. В результате M. genitalium стала первым организмом, смоделированным столь подробно – вплоть до каждого из 525 генов и всех известных генетических функций.

Чтобы создать свою виртуальную клетку, стэнфордская команда использовала несколько тысяч параметров, относящихся к трем десяткам модулей субклеточных процессов, каждый из которых моделировался разными способами. Ученые программировали отдельные модули – каждый со своим собственным управляющим алгоритмом, – а те, коммуницируя друг с другом, интегрировались в единую клеточную машину. Таким образом, имитация бактерии была создана как серия модулей, которые отражают разные функции клетки. Используя сеть из 128 компьютеров, стэнфордская команда могла планировать поведение клеток виртуальных M. genita-lium на молекулярном уровне, от их ДНК и РНК до белков и метаболитов {199} 199 http://wholecell.stanford.edu/ . Они смоделировали продолжительность жизни клетки на молекулярном уровне, расписав взаимодействия 28 категорий молекул. И, наконец, общая модель была проверена сравнением с базой знаний, объединяющей информационные базы данных по M. genitalium {200} 200 http://wholecellkb.stanford.edu/ .