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制造真正的虚拟细胞

你想知道未出生的宝宝什么样吗?把这个问题交给电脑,输入你和你爱人的遗传信息.电脑就可以给你生成多个可能的虚拟受精卵细胞,然后键入一些子宫环境参数,这些细胞在不同的条件下分裂繁殖,最后在电脑上发育成不同性别、不同相貌的宝宝。不过由于夫妻双方遗传信息的固定性,这些不同的虚拟婴儿还是有很多相似之处的。当然,虚拟细胞的研究将让你实现更多的梦想。

▲虚拟细胞时代将来临

对于人类基因组计划我们已经很熟悉了,要得出完整的人类生命分子基础手册,组织和分析如此大规模的数据是人类基因组计划实施过程中面临的最具挑战性的工作之一。可喜的是,计算生物学作为一门很有前景的学科将致力于利用计算机对复杂生物系统进行精确的模拟。

或许,计算生物学中最艰巨的目标就要算建立“虚拟细胞”了。尽管现在这只是一种可能性,但如果能对整个细胞进行准确的计算机模拟,无论是长期还是短期,都将产生巨大的效益。从短期来说,虚拟细胞可用于设计新的药物和治疗方法。人们可以利用模拟技术测试不同的治疗方法,以发现最佳方案,并研究每种方案可能产生的副反应。从长期来说,虚拟细胞可被用于设计更好的生物学系统,甚至创造全新的系统。科幻小说中有很多很好的关于重造生物的例子——从有助于改良土壤或生物防治的工程改造细菌,到在不利环境中仍能顽强生存的工程改造植物和动物。另外,模拟技术还可用于测试不同的变异,以找出表现最好的那些生物性状。

但是,实际上我们离构建出虚拟细胞还相去甚远。前面的道路漫长而艰难。然而,一些顶尖科学家正在讨论,少数人甚至已经开始尝试,基础工作也已经展开了。

▲模拟生化反应

创建一个计算机模拟的细胞是一个很复杂的过程,这种模拟不仅要考虑到组成细胞的所有分子及其参与的化学反应,还要考虑到调控细胞分子活动的各种方法。

模拟生化反应的最早尝试在计算机出现之后不久就开始了。20世纪80年代早期,美国威斯康星大学的卡尔·佛来登等人开发了KINSIM程序,这是一个重大的突破。KINSIM对模拟生化反应非常有效,以至于它的后续版本一直被广泛使用着。

我们来看一个计算机模拟病毒感染的例子。在病毒感染过程中,病毒进入宿主细胞,其基因开始生产病毒蛋白质。这些病毒的蛋白质霸占了宿主细胞.将其转变成一个病毒加工厂。最近,美国生物学家德鲁·安迪领导的小组用计算机模拟了一个称为T7的病毒。现在人们已经充分了解了它的机理,它只感染细菌的细胞,这使其成为计算机模拟的理想对象。该小组模拟出了24个病毒基因。最终,研究人员可以模拟出产生数百个新病毒所需的时间。这项工作的目的是要对抗病毒方法进行评价。科学家们一直企图减缓病毒的感染,目前的办法是阻断病毒基因的复制。病毒的哪一个基因的复制过程最适合被阻断呢?安迪的小组用模拟的T7病毒来测试不同的方案。他们分别阻断每一个基因的复制过程,然后模拟需要多长时间才能产生出新病毒。他们发现,与预想的相反,阻断某些基因的复制反而加速了T7病毒感染。通过计算机模拟.他们找到最有效破坏T7病毒的手段,就是阻止病毒保护性蛋白质膜编码基因的复制。

尽管模拟生化反应的研究已经取得一些重要的成就,但它们都是高度简化的细胞虚拟过程,这离模拟整个细胞还差得远呢。

▲制造真正的虚拟细胞

实现虚拟细胞有两个主要障碍。一是缺乏软件工具来对整个细胞进行模拟,二是缺乏细胞内数以千计的生物分子的详细信息。那么,科学家怎样克服这两个障碍呢?

在过去几年中.人们为模拟细胞开发出了一些软件包,其中很重要的一个软件是“电子细胞”。它是由日本的一个研究小组开发的。该小组已经用“电子细胞”程序对一个细菌细胞做了高度简化的模拟。

这只是很简单的细胞模拟,这个细胞只能维持简单的生存,它既不能成长,也不能分裂。下一步该小组计划扩展虚拟细胞的功能,使它有繁殖的能力。他们还计划加入更多的生化过程。但是.即使这个虚拟细胞完成了,它也远没有达到哺乳动物细胞的水平。它只有大约500个基因,而哺乳动物细胞中的基因数量是它的100多倍。

要构建一个哪怕特别简单的虚拟细胞,我们也要了解细胞中每个分子的位置,它与谁发生反应,以及每个分子的功能。最近,研究人员建造了几个数据库来收集这类信息。其中,最完备的数据库就是日本科学家建立的京都基因和基因组百科全书(KEGG)。KEGG包括一系列免费的网上数据库,它建于1995年5月,由日本政府资助。

1994年度诺贝尔生理学或医学奖获得者阿尔佛雷德·吉尔曼在2000年创立了细胞信号联盟(AFCS)。AFCS的最终目标是找出哺乳动物细胞中所有的信号联系方式.该计划将在美国几个联合实验室共同进行。

AFCS选择了两种小鼠细胞进行检测:B细胞和心肌细胞。B细胞是免疫系统的一种重要组成部分。它在血液中处于休眠状态,在免疫反应中被激活。然后,B细胞将快速生长、分裂.并分泌抗体以抵御外来入侵。研究人员选择小鼠细胞,是因为它们与人类细胞具有很大的相似性。AFCS希望通过研究一种以上的细胞,发现它们之间重要的相似性和不同点。

人们预计完成AFCS计划需要10年时间。在前5年,主要任务是数据采集。后5年重点将是在这些数据的基础上构建虚拟细胞.并测试和改进。美国国立卫生研究院是生物医学研究最主要的资助者.投资者对这个项目的研究和应用前景十分乐观。

如果研究虚拟细胞的这些计划取得成功,通过虚拟细胞的培养,科学家很快就能对现实细胞进行改良。我们将更容易找到新药和新的治疗方法,更容易改善和重新设计生物系统,也更容易将科学幻想转变为科学现实。 

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