生命数字化！Cell论文首次实现最小细菌细胞全生命周期纳米级模拟

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来源：生物谷原创 2026-03-16 14:14
+ _4 U5 y  D( q该团队以纳米级分辨率模拟了一个活细胞，并重现了该细胞内每个分子在整个细胞周期中的行为。
) i) a, T7 U1 ]6 O4 n, }通过模拟一个最小细菌细胞的生命周期——从DNA复制到蛋白质翻译，再到新陈代谢和细胞分裂——科学家们为探究生命的基本过程开辟了计算机视觉的新前沿。由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学教授 Zan Luthey-Schulten 领导的研究团队在《细胞》期刊上发表了他们的发现。
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该团队以纳米级分辨率模拟了一个活细胞，并重现了该细胞内每个分子在整个细胞周期中的行为。这项工作耗时多年：动用了庞大的计算资源、大型实验数据集、一系列实验和计算技术，以及对数千种分子角色的作用、行为和物理相互作用的理解。
7 X/ \5 J# q0 J1 X) @7 @4 L, e) c研究人员必须考虑到细胞内发生的每一个基因、蛋白质、RNA 分子和化学反应，以重现细胞事件的时间顺序。例如，他们的模型必须准确反映使细胞在分裂前体积倍增的过程。( ^& N' U3 k/ a8 F
为了使任务更易于管理，团队使用了位于加利福尼亚州的 J. Craig Venter 研究所开发的一个活的"最小细胞"。新研究中使用的细胞版本 JCVI-syn3A——简称"Syn3A"——是一种经过修饰的细菌，拥有精简的基因组，只携带复制其 DNA、生长、分裂以及执行使生命成为可能的大多数其他功能所需的基因。
/ O/ Z0 P$ E$ P$ x. _5 a"这是一个活的最小细胞的三维、全动态动力学模型，模拟了实际细胞内部发生的情况。"Luthey-Schulten 说。"如此全面的工作只有通过伊利诺伊大学以及哈佛医学院众多合作者的共同努力才有可能实现，我们从 2018 年开始通过一系列出版物系统地模拟了基本的代谢和其他亚细胞网络。"
  f6 U' V+ ?1 p! p构建并验证最小细胞+ l) A+ k) g6 s3 ~( n" y
Syn3A 细胞拥有不到 500 个基因，所有这些基因都位于一条环状 DNA 链上。研究的合著者、伊利诺伊大学化学教授 Angad Mehta 以及波士顿儿童医院和哈佛医学院的 Taekjip Ha 的实验室生成了额外的实验数据，使团队能够准确模拟和验证细胞功能的许多方面。
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7 k0 `; I8 G" j"最重要的是，他们的工作揭示了 DNA 复制的程度以及 Syn3A 的细胞分裂是对称的。"Luthey-Schulten 说。9 l: t( }# W3 O. s% `4 W: Z/ B& }
这两个因素都指导并验证了由 Beckman 先进科学技术研究所和伊利诺伊州癌症中心的博士后 Zane Thornburg 以及 Luthey-Schulten 实验室的研究生 Andrew Maytin 进行的模拟。
, B  J, z" E/ _6 I7 ]与其他细菌细胞一样，Syn3A 没有细胞核。构成并维持它的每一个分子要么是其外膜的组成部分，要么是从细胞外部运输进来，要么是在细胞质中组装的。9 [- s, X2 |* Y/ l$ u" K9 ^; C2 |
细胞内部充满了分子角色，以至于在制作其计算机模拟的高分辨率示意图和动画时，研究人员不得不将一些组件设为不可见。例如，使所有细胞蛋白质不可见，让科学家们能够看到 Syn3A 的染色体如何穿过细胞拥挤的内部。2 a  o* T+ h. b/ p4 d6 s2 y( U
团队发现，某些过程比其他过程计算成本更高。例如，Maytin 意识到染色体复制使整个模拟变得异常缓慢，几乎使捕获整个细胞周期所需的时间增加了一倍。
% _) s$ E9 G+ `$ Z) E' c/ q- P他确定，有效模拟细胞的 DNA 复制过程需要其专用的图形处理单元，而另一个 GPU 则处理所有其他细胞动力学。这使得团队能够在仅六天的计算机时间内模拟整个 105 分钟的细胞周期。
8 j: |4 R( X2 Q克服 3D 模拟的障碍# m( V/ S) j7 X1 V
Thornburg 和 Maytin 在模拟细胞不同部位同时发生的细胞事件时遇到了挑战。"怎么强调模拟运动中的事物有多难都不为过——而且在整个细胞的 3D 空间中做到这一点，堪称是一场胜利。"Thornburg 说。"Andrew 和我必须解决的最后一大障碍之一是理解当膜和 DNA 都在移动时，它们之间如何'对话'。"
% w1 i, G: \3 Z% c; ?3 S虽然模拟的细胞周期有其局限性——这不是一个原子对原子的模拟，而是平均了个体分子的动力学，但它对细胞过程的时间顺序产生了惊人准确的描述。2 Q% L1 R- q4 X. J
Thornburg 说，在涉及起始条件略有不同的单个细胞的重复模拟中，模拟的细胞周期平均发生时间与实际细胞周期相差在两分钟以内。这项工作反复受到实际实验结果的指导和检验，这个过程使科学家能够完善他们的模拟。+ P# X& }) f& m# \( ]
观察生命系统的新窗口) K) S- O& P! t3 m9 E4 a4 c
Luthey-Schulten 说，准确捕捉活细胞内不断变化的条件的能力，为理解生命系统的基础打开了一扇新窗口。
7 _& m' Y3 }) N"我们有了一个可以同时预测许多细胞特性的全细胞模型。"她说。"如果你想知道，比如说，核苷酸代谢中发生了什么，你也可以同时观察 DNA 复制和核糖体生物合成中发生了什么。因此，这些模拟可以同时为你提供数百个实验的结果。"（生物谷Bioon.com）
/ a- C  o* ?: e3 ~+ z) B参考文献：
. a( c6 r- E. @Zane R. Thornburg et al, Bringing the Genetically Minimal Cell to Life on a Computer in 4D, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.02.009.6 y( C) i$ t' o$ e) [- i

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