Учёные создали 3D-модель минимальной клетки и увидели, как она живёт

Что такое жизнь? Вопрос, над которым биологи бьются столетиями. Но, возможно, ответ скрыт не в сложных организмах, а в максимально простых. Учёные из США создали компьютерную модель «минимальной клетки» — бактерии, у которой удалили всё лишнее, оставив только 493 гена. И теперь они могут наблюдать за ней в динамике, как за настоящим живым организмом.

Исходный материал — бактерия Mycoplasma genitalium. У неё и так крошечный геном, всего 525 генов (для сравнения: у человека их больше 20 тысяч). В 2019 году исследователи выкинули из неё всё, без чего клетка ещё могла жить, и получили штамм Syn3A с 493 генами. Это, по сути, эталонная «живая машина», где каждая деталь должна быть на виду.

Теперь команда под руководством Зайды Лютей-Шултен из Университета Иллинойса пошла дальше. Они построили трёхмерную кинетическую модель этой клетки, учитывающую тысячи компонентов на атомном уровне: ДНК, липиды, белки, ионы. И запустили симуляцию полного жизненного цикла — от рождения до деления, которое занимает около двух часов.

«Новым здесь является то, что мы разработали полностью динамическую, трёхмерную модель минимальной живой клетки, которая имитирует то, что происходит в реальной клетке», — говорит Лютей-Шултен.

Модель позволила увидеть, как клетка распределяет энергию. Оказалось, львиная доля уходит на транспорт ионов и молекул через мембрану. Для микоплазмы, которая живёт за счёт хозяина, это логично. Когда потребности скачут, клетка замедляет другие процессы — всё строго сбалансировано.

Исследователи также рассчитали время жизни матричных РНК, проследили связь между синтезом липидов и ростом клетки и наткнулись на загадку. Для быстрого деления нужен фермент трансальдолаза, но модель его не обнаружила. Либо клетка использует какой-то другой путь, либо фермент просто не похож на известные нам варианты.

Теперь у учёных есть цифровой полигон для экспериментов. Можно «подкручивать» гены, менять среду, добавлять молекулы и смотреть, что произойдёт. Это поможет понять, какие элементы действительно необходимы для жизни, а какие — опциональны.

Следующий шаг — симуляция нескольких поколений клеток и постепенное усложнение модели. В перспективе такие симуляции могут стать основой для создания искусственных организмов с заданными свойствами или для понимания того, как жизнь могла зародиться на ранней Земле.

В общем, мы только начинаем заглядывать в чёрный ящик под названием «клетка». И он оказывается куда интереснее, чем мы думали.