Vědcům z University of Illinois se podařilo vytvořit dosud nejdetailnější počítačovou simulaci živé buňky. Model sleduje miliony molekulárních procesů uvnitř syntetické bakterie JCVI‑syn3A minimal cell v prostoru i čase a zachycuje její celý životní cyklus téměř sekundu po sekundě. Projekt, publikovaný v časopise Cell, by mohl otevřít cestu k virtuálním experimentům s buňkami a urychlit vývoj léků i biotechnologií.
Zvenčí se buňky zdají být neuspěchané. Vypadají jako želatinová hmota, která se postupně zvětšuje a zvětšuje, dokud se nerozdělí na dvě části. Nezdá se, že by v tom bylo mnoho tajemství, a rozhodně to nevypadá, že by vytvoření počítačové repliky mělo trvat roky. Nicméně každý, kdo se někdy zabýval bouřlivým světem buněčné biologie, ví, že ve skutečnosti je vnitřek buňky skutečným rojem molekul. Dokonce i její membrána obsahuje nespočet struktur, které, uvězněné uvnitř, slouží jako mýtné brány s okolím. Simulovat každý detail v životě bakterie by se dalo přirovnat k simulaci města se stovkami tisíc obyvatel a nyní se to podařilo skupině vědců z Illinoiské univerzity.
V tomto mikroskopickém „městě“ je každý obyvatel molekulou, která do něj vstupuje, odchází, střetává se, reaguje, rozkládá se nebo je recyklována. A jako v každém městě nestačí vědět, kolik je obyvatel: záleží na tom, kde se nacházejí, jak rychle se pohybují, s kým a v jakém čase interagují. To, čeho tento tým dosáhl, je v podstatě sledování všech těchto „obyvatel“ současně, vteřinu po vteřině, během celého životního cyklu minimální buňky. To není metafora: mluvíme o milionech chemických a fyzikálních událostí zaznamenaných a vypočtených ve čtyřech rozměrech (tři rozměry prostoru plus čas).
Studie právě publikovaná ve vědeckém časopise Cell ukazuje první snímky simulovaných bakterií. Bez kontextu bychom si mohli myslet, že její autoři hráli příliš mnoho Minecraftu, ale jakákoli podobnost se omezuje na ony drobné kostičky, jimiž znázornili membránu, cytoplazmu, která ji vyplňuje, a ribozomy, které jsou zodpovědné za přeměnu genetického materiálu na bílkoviny (zelené, modré, respektive kombinace žlutých a červených kostiček). Vybranou buňkou je bakterie, kterou pokřtili JCVI-syn3A (zkráceně Syn3A), a každý „pixel“, který ji tvoří, je takříkajíc v nanometrickém měřítku. Pro představu: tloušťka vlasu je 60 000 nanometrů, virus může mít kolem 30 nanometrů a šroubovice vaší DNA má průměr sotva 2,5 nanometru.
Krychlové zobrazení není estetický rozmar: je to způsob diskretizace prostoru, rozdělení buňky na malé „voxely“ (3D pixely), kde se počítá, jaké molekuly jsou přítomny, jak difundují a jaké reakce probíhají. Každá krychle „ví“, které proteiny, lipidy nebo fragmenty DNA obsahuje a jak se v průběhu času mění. Proto je srovnání s videohrou tak lákavé, i když za tím nestojí grafický engine, ale kombinace fyzikálně-chemických modelů a stochastických simulačních algoritmů.
Syn3A
Na simulaci se pracovalo několik let, než tým dosáhl požadované úrovně detailů. Od doby, kdy začali shromažďovat experimentální data a vybírat, co chtějí reprezentovat, až do spuštění finálních simulací, množství dat a rozhodnutí neustále narůstalo. Ve skutečnosti je výsledek tak důkladný, že pokud zobrazí všechny simulované molekuly najednou, stane se z bakterie neproniknutelná šmouha. Aby byli schopni rozlišit procesy, které v ní probíhají, museli ostatní zneviditelnit. Vědci vzali v úvahu každý gen, každou molekulu bílkovin, RNA a každou chemickou reakci, která proběhla uvnitř bakterie nebo na jejím povrchu během 105 minut simulace (přičemž každý proces se odehrál s odstupem méně než 2 minut od skutečného buněčného cyklu).
Stojí za to se na chvíli zastavit a zamyslet se nad tím, co přesně Syn3A je. Nejedná se o „přírodní“ bakterii, ale o minimální buňku vytvořenou v laboratoři týmem J. Craig Venter Institute (JCVI). Vědci vycházeli z parazitické bakterie s malým genomem (Mycoplasma mycoides) a odstraňovali geny, dokud jim nezůstala nejmenší možná sada, která by ještě umožňovala buňce stabilně růst a dělit se. Výsledkem byl JCVI-syn3.0 s pouhými 473 geny, později zdokonalený na Syn3A, který přidává některé geny pro zlepšení své robustnosti a usnadnění experimentů.
Pro představu: běžná bakterie, jako je Escherichia coli, má přibližně 4 000 genůa lidská buňka více než 20 000 genů. Syn3A je tedy jakousi „funkční kostrou“ toho, co znamená být živý: obsahuje minimum pro replikaci DNA, tvorbu proteinů, udržování membrány a hospodaření s energií. Právě proto je tak atraktivní pro simulaci: čím méně komponent, tím snazší je snažit se je všechny namodelovat a pochopit, jak do sebe zapadají.
Práce nyní publikovaná v časopise Cell nezačíná od nuly. Již v roce 2012 představil tým vedený Markusem Covertem první počítačový model „celé buňky“ bakterie Mycoplasma genitalium, ale tento model byl v podstatě souborem rovnic popisujících průměrné buněčné procesy, bez detailního prostorového znázornění jednotlivých molekul. Syn3A se liší tím, že integruje prostor, čas a fyzikální strukturu: víte nejen, kolik DNA se replikuje, ale také kde se tato DNA v daném okamžiku nachází, jak se skládá, které ribozomy se k ní přibližují a které proteiny z nich vznikají.
Aby toho tým dosáhl, zkombinoval data z více zdrojů: elektronové mikroskopie k odhadu tvaru a objemu buňky, omických (genomických, transkriptomických, proteomických a metabolomických) experimentů ke kvantifikaci počtu kopií jednotlivých molekul a klasických biochemických měření k určení reakčních rychlostí, afinity proteinů a dalších parametrů. Výsledkem byl gigantický „inventář“ minimální buňky, který byl následně vložen do modelu.
Protože ve skutečnosti tento „film“ trvá pouze hodinu a pětačtyřicet minut a probíhá v reálném čase. Jinými slovy, nekondenzuje hodiny buněčné aktivity. Nicméně doba potřebná k výpočtu kompletní simulace v jejích posledních verzích přesáhla 6 dní. To znamená, že zpracování každé minuty filmu trvalo vždy hodinu a půl. To bylo ještě déle, než se vědci rozhodli vyčlenit celý grafický procesor (GPU) jen pro simulaci replikace DNA. Před realizací tohoto rozhodnutí trvalo zpracování každé minuty simulace téměř tři hodiny.
Důvodem těchto výpočetních nákladů je skutečnost, že se nejedná o „ručně kreslenou“ animaci, ale o fyzikální simulaci: počítač krok za krokem vypočítává, co se stane s každou molekulou podle zákonů chemie a difuze. Mnohé z těchto procesů jsou také stochastické, tj. závisí na náhodě: enzym se v daném okamžiku může, ale nemusí setkat se svým substrátem, a to mění výsledek. K zachycení této náhodnosti model využívá algoritmy, jako je Gillespieho, které simulují chemické reakce po jedné, a metody částicové dynamiky ke sledování pohybu složek v přeplněném nitru buňky.
Grafický procesor vstupuje do hry, protože replikace DNA je obzvláště náročná: zahrnuje kopírování milionů bází, koordinaci několika proteinů najednou a udržování struktury chromozomu. Paralelní provádění těchto výpočtů na grafické jednotce, která je navržena právě pro paralelní provádění mnoha operací, celý proces urychluje. Přesto jsme ještě daleko od toho, abychom mohli simulovat složitou buňku v reálném čase na domácím počítači. To, čeho se dnes podařilo dosáhnout pomocí Syn3A, je svým způsobem biologický ekvivalent prvních globálních klimatických modelů: hrubý ve srovnání s tím, co přijde, ale na svou dobu revoluční.
A pro co?
Jaký byl účel jejích výzkumníků? Bude mít Syn3A nějaký dopad na naši společnost, nebo je to jen kuriózní poznámka pod čarou našeho století? Ve skutečnosti je obojí slučitelné a na druhou otázku je obtížnější odpovědět než na první. Můžeme ji objasnit slovy Luthey-Schultenová: „Schopnost přesně zachytit neustále se měnící podmínky uvnitř živé buňky otevírá nové okno do základů živých systémů. Máme celobuněčný model, který předpovídá mnoho buněčných vlastností současně,“ řekla. „Pokud chcete vědět, co se děje například v metabolismu nukleotidů, můžete se podívat i na to, co se děje v replikaci DNA a biogenezi ribozomů. Simulace vám tedy mohou poskytnout výsledky stovek experimentů současně.“
To má několik praktických důsledků. První je téměř filozofický: poprvé si můžeme na počítači „hrát“ s celou buňkou, měnit geny, měnit koncentraci živin nebo zavádět mutace a sledovat, co se stane, aniž bychom se dotkli jediné zkumavky. Pokud je model dostatečně věrný, stává se virtuální laboratoří, kde můžeme testovat hypotézy s rychlostí a volností, která je na stole nemožná.
Druhý důsledek je více aplikovaný. Syntetická biologie a biotechnologie stále více spoléhají na racionální design: chceme bakterie, které vyrábějí léky, paliva nebo materiály, nebo rozkládají znečišťující látky. Dnes se většina těchto návrhů provádí metodou pokusů a omylů: zavedeme gen, zjistíme, co se stane, upravíme ho a zkusíme to znovu. Model celé buňky umožňuje v zásadě předem předpovědět, jak změna ovlivní celý systém: zda se metabolická dráha nasytí, zda bude chybět energie, zda buňka poroste pomaleji nebo se přestane dělit.
V medicíně by se něco podobného mohlo stát s patogenními bakteriemi. Přestože Syn3A není nebezpečný a nežije v našem těle, techniky vyvinuté k jeho simulaci by mohly být použity u mikrobů, které nás ovlivňují. Představte si, že byste mohli na detailním modelu rezistentní bakterie testovat prakticky stovky antibiotik nebo kombinací léků a sledovat, jak se změní její metabolické dráhy nebo jaké mutace jí umožní uniknout. Nenahradilo by to klinické testy, ale mohlo by to pomoci stanovit priority strategií a lépe pochopit, proč některé léčebné postupy selhávají.
Má to také dopad na způsob, jakým se provádí samotná biologie. Biologové tradičně studovali procesy izolovaně: replikaci DNA na jedné straně, expresi genů na straně druhé, metabolismus v samostatné laboratoři. Buňky však své procesy neoddělují do škatulek: vše se děje najednou a vzájemně se ovlivňuje. Model, jako je Syn3A, nás nutí přemýšlet integračním způsobem a ptát se, jak může malá změna v energetickém metabolismu ovlivnit rychlost replikace nebo produkci základních proteinů.
Samozřejmě to nejsou jen výhody a jistoty. Model je jen tak dobrý, jak dobré jsou údaje a předpoklady, na nichž je založen. Existují parametry, které se ještě odhadují z podobných systémů nebo se upravují tak, aby výsledek odpovídal pozorovanému. A vždy existuje riziko, že se do modelu zamilujeme a zapomeneme, že realita může být chaotičtější, hlučnější nebo prostě jiná. Sami autoři zdůrazňují, že Syn3A nenahrazuje experimenty, ale slouží k tomu, aby bylo možné lépe klást otázky: rozhodnout se, co měřit, jaké mutace testovat nebo jaké podmínky zkoumat v reálné laboratoři.
Stručně řečeno: Syn3A (nebo jeho nástupci) by mohl umožnit nové, rychlejší, cílenější a efektivnější způsoby vědecké práce. A mimochodem nás nutí konfrontovat se s nepříjemnou otázkou: do jaké míry budeme rozumět životu, až ho budeme schopni věrně reprodukovat na počítači? Bude stačit, když model správně předpoví vše, co buňka dělá, abychom mohli říci, že jí „rozumíme“, nebo bude vždy něco z rovnic vynecháno? Tato diskuse zatím zůstává otevřená.
Jeden krok v delším závodě
Stojí za to připomenout, že myšlenka „buňky v počítači“ nevznikla z ničeho nic. Již desítky let se projekty, jako je Covertův WholeCell nebo iniciativy systémové biologie, snaží integrovat rozptýlená data do globálních modelů. Souběžně byly vyvinuty standardy a databáze pro popis metabolických sítí, signálních drah nebo interakcí proteinů s proteiny, jako jsou BioModels nebo KEGG. Syn3A vychází ze všech těchto předchozích prací, ale posouvá je o krok dál tím, že zahrnuje prostorový rozměr a zaměřuje se na dobře definovanou minimální buňku.
Je také součástí širšího hnutí směrem k „digitálním dvojčatům“ ve vědě a technice: virtuálním replikám fyzických systémů (od letadel po města), které jsou aktualizovány skutečnými daty a umožňují testovat scénáře „co kdyby“. V inženýrství se tato dvojčata již používají k optimalizaci údržby turbín nebo k předvídání městské dopravy. V biologii je myšlenka mnohem ambicióznější: vytvořit digitální dvojčata orgánů, tkání nebo dokonce celých organismů. Než se k tomu dospělo, bylo nutné prokázat, že na této úrovni detailu lze modelovat alespoň jedinou buňku. Syn3A je jedním z prvních důkazů, že taková cesta je možná, i když ještě dlouhá.
A jak už to ve vědě bývá, každá odpověď otevírá nové otázky. Model například odhaluje nečekaná úzká místa v produkci některých molekul nebo vzorce vnitřní organizace, které nebyly patrné při globálnějších experimentech. Naznačuje také, že některé funkce, které jsme považovali za „nezbytné“, mohou být ve skutečnosti kompenzovány alternativními způsoby. To vše nahrává novým hypotézám, které bude třeba ověřit v reálné buňce, čímž se kruh mezi simulací a experimentem uzavře.