Aşağıdan Yukarıya Hücre Tasarımı: Kendini Kopyalayan En Basit Alt Sistemlerden Başlayarak

Sentetik biyolojinin en büyük hedeflerinden biri hücreleri tasarlayıp inşa edebilmektir. başlangıçta, aşağıdan yukarıya, temel yapı taşlarından (sadece mevcut hücrelerde ince ayar yapmak yerine). Bunun için hücrelerin nasıl çalıştığının iyi anlaşılması gerekir. Biyolojik hücreleri laboratuvarda incelemek elbette bu anlayışı geliştirmenin önemli bir yönüdür, ancak aynı zamanda ciddi sınırlamaları da vardır: deneyler yavaş, maliyetli, zor olma eğilimindedir ve genellikle pratiklik nedeniyle büyük hücrenin yalnızca küçük bir bölgesini keşfetmekle sınırlıdır. teorik olarak mümkün olan hücrelerin alanı. Bu nedenle deneylerin, hücrelerin nasıl çalıştığına dair teorik bir çerçevenin yanı sıra hücrelerin temel olasılıklarını ve sınırlarını keşfetmeye yönelik hesaplamalı modelleme ve tasarım araçlarıyla tamamlanması son derece arzu edilir.

Böyle bir dizi teorik ve hesaplamalı aracın yaratılması, tam olarak ulaşmayı hedeflediğimiz hedeftir. Bu hedefe farklı yollardan yaklaşmak elbette mümkün ve farklı bilim insanları aslında bu hedefe ulaşmak için farklı yollar izlemişler. Bazıları, büyük ölçüde ayrıntılı fiziksel modellemeye dayanan hücre modelleri oluşturur; bu, yüksek düzeyde gerçekçilik sağlayabilir, ancak aynı zamanda hesaplama açısından çok zordur ve bir hücrenin daha yüksek düzeydeki genel işlevsel ilkelerini görmek için fazla ayrıntılı olabilir. Diğerleri, hücrenin metabolik ağlar gibi bazı önemli kısımlarının soyutlanmasını içeren, ancak hücre geometrisi gibi diğer bazı temel hususları dışarıda bırakan modeller oluşturur. Tercihimiz, bir hücrenin temel olarak önemli tüm alt sistemlerini dahil etmeye çalışmak, ancak aynı zamanda modellerin anlaşılabilirliğini korumak ve modelleri kişisel bilgisayarda kolayca hesaplanabilir hale getirmek için soyutlama düzeyini yeterince yüksek tutmak oldu. Ayrıca çerçeveyi yeterince esnek hale getirerek detay düzeyinin, soyutluğun ve karmaşıklığın gerektiği gibi değiştirilebilmesini sağlamak.

Dolayısıyla, (onlarca) yıldır, bakteri hücrelerinin işleyişine ilişkin teorik bir çerçeve geliştiriyoruz, bu çerçeveyi bu teoriye dayalı hesaplamalı modellerle tamamlıyoruz ve şimdi bu çalışma hakkında gelecek serinin ilk makalesi yayınlandı. Kendi kendini kopyalamanın temel konseptine dayanır, minimal biyolojik kendi kendini kopyalayanlar (ribozomal proteinler) ile başlar ve kendini kopyalayan diğer önemli hücre bileşenlerini ekleyerek 10 adet kendi kendini kopyalayan proto hücre (veya hücresel alt sistem) modelinden oluşan bir aile oluşturur. ribozomlar.

Modelleme çerçevesinin kendisi, tam genom ölçeğinde hücre modellerinin ve hatta bakteriyel konsorsiyumların karmaşıklığına ulaşmaya izin verecek kadar esnektir, ancak açıklık ve yumuşak giriş açısından, ilk makalenin en karmaşık modeli hala oldukça basitleştirilmiş ve basitleştirilmiş bir modeldir. Minimal ortamda büyüyen bir bakteri proto-hücresini temsil eden, kolayca kavranabilen:

Sağlanan tüm proto-hücre modelleri, hücrenin kararlı durumundaki tüm hücre bileşenlerinin ve süreçlerinin sayılarının ve özelliklerinin tam bir analizine olanak tanır. Yine netlik ve yumuşak bir giriş sağlamak amacıyla, şu anda yayınlanan makale, analize esas olarak kendini kopyalamanın temel parametrelerinden biri olan iki katına çıkma süresine odaklanıyor. En basit kopyalayıcılardan E. coli boyutuna ulaşanlara kadar analiz edilen proto-hücrelerin iki katına çıkma sürelerinin, toplam hücre bileşeni sayısından ziyade farklı hücre bileşeni türlerinin sayısıyla arttığını ve ayrıca Farklı hücre bileşeni türlerinin iki katına çıkma süresini nasıl etkilediği, bu hücre bileşenleri ile ribozomlar arasındaki ilişki türlerine bağlıdır:

Proto-hücrelerin ikiye katlanma süresinin ribozom sayısına nasıl bağlı olduğunu gösteren grafikler.  Daha basit proto-hücrelerin bazıları için, ribozom sayısına bakılmaksızın iki katına çıkma süresi sabittir.  Membran ve DNA gibi bileşenleri içeren daha karmaşık proto-hücreler için, daha fazla sayıda ribozom için iki katına çıkma süresi neredeyse sabittir, ancak ribozom sayısı çok azaldığında hızla artar.  Daha karmaşık proto-hücrelerin iki katına çıkma süreleri, daha basit proto-hücrelerden daha fazladır.

Hücrelerin iki katına çıkma süresinin ve dolayısıyla büyüme hızının, hücre bileşenlerinin toplam sayısına nasıl ve neden duyarsız olabileceğinin anlaşılması, hücre tasarımı için çok önemlidir, çünkü bu duyarsızlık, hücre içeriğinin ve boyutunun optimize edilmesinde çok fazla özgürlüğe izin verir. Yüksek büyüme oranlarının ve istikrarın faydalarını kaybetmeden hedeflerimize ulaşmak için çalışıyoruz.

Şeklin tam açıklaması ve modellere kısa bir genel bakış için makalenin ana metnine bakın. Her modelin ve hesaplamaların çok daha ayrıntılı ve kapsamlı bir açıklaması ek materyallerde verilmiştir, bu nedenle bunlara da göz atmanızı önemle tavsiye ederiz.

Genel olarak, geliştirdiğimiz modelleme çerçevesinin hücrelerin temel ilkelerini ortaya çıkarmaya ve aydınlatmaya yardımcı olacağını ve gelecek yayınlarda bu çerçevenin daha gelişmiş model ailelerini sunduktan sonra hesaplamalı hücre için de sağlam bir temel ve araçlar sağlayacağını umuyoruz. tasarım.

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir