这是通过细胞建模对生命进行“转型”把握的尖端科学

   日期:2020-05-22     浏览:18    评论:0    
核心提示:研究人员说,这是通过细胞建模对生命进行“转型”把握的尖端科学堪萨斯大学这张照片来自斯克里普斯研究所的亚瑟·奥尔森的实验室

研究人员说,这是通过细胞建模对生命进行“转型”把握的尖端科学
堪萨斯大学

这张照片来自斯克里普斯研究所的亚瑟·奥尔森的实验室,显示了支原体的初步模型。建模由Ludovic Autin和David Goodsell完成,渲染由Adam Gardner完成。资料来源:斯克里普斯研究所
最近发表在《分子生物学杂志》(Journal of Molecular Biology)上的一篇论文显示,全球分子生物学和计算机科学的进步可能很快就会形成细胞的三维计算机模型,细胞是生命的基本单位。


据作者说,这一进展可能预示着生物研究、医学科学以及人类和动物健康的新时代。

“细胞是生命的基础,”计算生物学和分子生物科学教授、堪萨斯大学计算生物学中心主任伊利亚·瓦克斯(Ilya Vakser)说,他是这篇论文的联合作者之一。“最近,在生物分子建模和在分子水平上理解生命方面有了巨大的进展。现在,焦点转移到更大的系统上,即整个单元的层次。我们正试图捕捉计算结构生物学的这一新兴里程碑式的发展,即从对单个生物分子过程建模到对整个细胞建模的结构转变。”

这项研究名为“挑战结构单元建模方法,”调查一系列方法加入整个迈向一个模拟3 d细胞,包括研究生物网络、自动化建设三维细胞模型与实验数据,建模的蛋白质复合物,预测蛋白质相互作用,热力学和动力学的影响拥挤细胞膜建模、和建模的染色体。

Vakser说:“这需要很多技术,现在已经有了,只要把它们放在一起,形成一个连贯的策略,就可以解决这个问题。”“这很困难,因为我们刚刚开始在分子水平上理解生命的主要机制——这看起来非常复杂,但却是可行的,所以我们进展很快——不仅是在我们的能力上理解它如何在分子水平上工作,而且是对它进行建模。”

虽然这些技术中的大多数都是单独开发的,但是作者们说,综合考虑,它们代表了一种进步,可以提供更好的“在分子水平上对生命的理解,并导致在生物学和医学上的重要应用”。

“有两个主要的好处,”Vakser说。一个是我们对细胞如何工作的基本理解。如果你不能为一种现象建模,你就不能声称你理解它。这让我们在整个细胞的尺度上了解生命的基本原理。在实际应用方面,它将使我们更好地掌握疾病的基本机制,以及了解药物作用机制的能力,这将极大地促进我们在药物设计方面的努力。这将帮助我们创造出更好的候选药物,从而有可能缩短新药研发的道路。”

作为一个例子,堪萨斯大学的研究人员说,一个可行的3-D分子细胞模型可以帮助取代或增加耗时且昂贵的药物开发协议的阶段,这些协议是目前将药物疗法从科学家的实验台上引入市场所必需的。

Vakser说,这项研究的各个方面可能会导致计算机模拟细胞的不同程度的细化。

“我们在模拟蛋白质相互作用的能力上取得了进展,”他说。“我们面临的挑战是将其置于细胞的环境中,细胞是由不同蛋白质和其他生物分子结构组成的密集环境。”从稀释溶液过渡到在细胞中遇到的真实环境,可能是我们目前面临的最大挑战。”

Vakser说,虽然对更复杂的人类细胞进行建模可能很快就会提上日程,但目前的研究工作将集中于对简单的单细胞生物进行建模。

“我们尽可能使用最简单的电池。有一些小的原核细胞,它包含了极简的元素,比哺乳动物的更大更复杂的细胞更简单,包括人类,”他说。“我们首先尝试在尽可能小的细胞有机体上取得进展,然后再推断出更复杂的细胞。”

 
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