Новая статья, недавно опубликованная в Journal of Molecular Biology, показывает, как достижения в области молекулярной биологии и информатики во всем мире вскоре могут привести к созданию трехмерной компьютерной модели клетки, фундаментальной единицы жизни.
По мнению авторов, разработка может открыть новую эру для биологических исследований, медицины, здоровья людей и животных.
«Клетки - основа жизни», - сказал Илья Ваксер, профессор вычислительной биологии и молекулярной биологии и директор Центра вычислительной биологии Канзасского университета, один из соавторов статьи.«В последнее время был достигнут огромный прогресс в биомолекулярном моделировании и достижениях в понимании жизни на молекулярном уровне. Теперь акцент смещается на более крупные системы - вплоть до уровня всей клетки. Мы пытаемся уловить эту новую веху развития в вычислительной структурной биологии, которая представляет собой тектонический переход от моделирования отдельных биомолекулярных процессов к моделированию всей клетки».
В исследовании под названием «Проблемы структурных подходов к моделированию клеток» рассматривается ряд методологий, объединяющих движение к моделированию целых трехмерных клеток, в том числе исследования биологических сетей, автоматизированного построения трехмерных клеток. модели с экспериментальными данными, моделирование белковых комплексов, предсказание белковых взаимодействий, моделирование термодинамических и кинетических эффектов скопления клеточных мембран и моделирование хромосом..
«Многие методы, необходимые для этого, уже доступны - это просто вопрос объединения их всех в согласованную стратегию для решения этой проблемы», - сказал Ваксер.«Это сложно, потому что мы только начинаем понимать основные механизмы жизни на молекулярном уровне - это кажется чрезвычайно сложным, но выполнимым, поэтому мы движемся очень быстро - не только в нашей способности понять, как это работает на молекулярном уровне. но смоделировать его."
Хотя большинство этих методов разрабатываются по отдельности, авторы говорят, что вместе они представляют собой шаг вперед, который может обеспечить лучшее базовое «понимание жизни на молекулярном уровне и привести к важным приложениям в биологии и медицине."
«Есть два основных преимущества, - сказал Ваксер. «Одним из них является наше фундаментальное понимание того, как работает клетка. Вы не можете утверждать, что понимаете феномен, если не можете его смоделировать. Таким образом, это дает нам представление об основных принципах жизни в масштабе целой клетки. С другой стороны, это даст нам лучшее представление об основных механизмах болезней, а также способность понимать механизмы действия лекарств, что станет огромным стимулом для наших усилий по разработке лекарств. Это поможет нам создать лучшие лекарства-кандидаты, которые потенциально сократят путь к новым лекарствам».
Например, исследователь из KU сказал, что работающая трехмерная модель молекулярной клетки может помочь заменить или дополнить этапы трудоемких и дорогостоящих протоколов разработки лекарств, необходимых сегодня для вывода лекарственных препаратов из лаборатории ученого на рынок..
Ваксер сказал, что аспекты исследования, которые могут привести к созданию компьютерной модели клетки, находятся на разных уровнях уточнения.
«Мы добились успехов в моделировании взаимодействия белков», - сказал он. «Задача состоит в том, чтобы поместить его в контекст клетки, которая представляет собой густонаселенную среду различных белков и других биомолекулярных структур. Сделать переход от разбавленного раствора к реалистичной среде, встречающейся в клетке, - это, вероятно, самая большая проблема, с которой мы сталкиваемся. лицом прямо сейчас."
В то время как моделирование более сложных человеческих клеток может стать предметом обсуждения в ближайшее время, Ваксер сказал, что в настоящее время исследовательские усилия будут сосредоточены на моделировании простых одноклеточных организмов.
«Мы ищем самую простую клетку из возможных. Существуют маленькие прокариотические клетки, которые включают в себя минимальный набор элементов, которые намного проще, чем большие и более сложные клетки млекопитающих, включая человека», - сказал он. «Сначала мы пытаемся нарезать зубы на самых маленьких клеточных организмах, а затем экстраполируем на более сложные клетки».