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利用大规模的计算机建模，研究人员已经证明了限制对细胞内大分子的影响 - 并且迈出了模拟活细胞的第一步，这种能力可以让他们在现实生物中询问“假设”问题。 。这项工作可以帮助科学家更好地理解细胞之间的信号传递，并为设计新的治疗方法提供见解。例如，模拟显示拥挤细胞内的颗粒倾向于在细胞壁附近徘徊，而细胞内粘性液体的限制导致颗粒比无限制空间中的颗粒移动得更慢。
该研究被认为是第一个考虑限制对细胞内大分子动力学影响的研究。在美国国家科学基金会的支持下，研究结果于11月16日在美国国家科学院院刊上发表。
该研究是佐治亚理工学院计算科学与工程学院副教授Edmond Chow和佐治亚理工学院生物学教授Jeffrey Skolnick之间的跨学科合作。他们的目标是开发和研究模拟细胞内分子运动的模型，并开发用于进行大规模模拟的高级算法和计算技术。
“我们正在为模拟真实细胞所需的工作奠定基础，”斯科尔尼克说。“我们希望将足够的真实细胞放在一起，以便能够理解生命中所有的细胞生化原理。这将使我们能够提出我们现在不能问的问题。”较早的模拟产生了更低的保真度，他们认为细胞内的运动与无限空间中的运动相同。
Skolnick将活细胞内部与大型新年前夜派对进行了比较，甚至可能在时代广场。“这有点像拥挤的聚会，拥有大人物和小人物，蛇 - DNA链 - 四处奔跑，一些非常大的分子和一些非常小的分子，”他说。“这是一个非常多样化和密集的环境，占据了40%的体积。”
模拟显示，细胞壁附近的分子往往会在那里停留很长一段时间，就像新人可能被推向新年前夜派对的墙壁一样。附近粒子的运动也趋于相关，这些相关性似乎与水动力有关。
“这些相互作用的生命周期得到了加强，这就是细胞内发生生物相互作用所需要的，”斯科尔尼克说。“这种在墙附近徘徊对于理解其他相互作用非常重要，因为如果有来自其他细胞的信号蛋白，它们会首先与这些颗粒结合。这可能对信号的转导方式产生重要影响。”
然而，对于细胞中间的颗粒，情况则不同。这些分子主要与附近的分子相互作用，但它们仍然感受到细胞壁的影响，即使它相对较远。
斯科尔尼克说：“在细胞中间移动的速度比细胞无限大时要慢。” “这可能会增加代谢通量的可能性，因为你必须将分子带到合作伙伴周围。如果它们移动缓慢，他们有更多的时间作出反应，因为意外的亲密互动是不可避免的。”
虽然活动速度在数量上有所减缓，但在质量上却是同一种运动。“慢动作是一把双刃剑，”斯科尔尼克解释道。“如果你碰巧在附近，如果你的速度较慢，你很可能会有相互作用。但如果你不在附近，那么速度越慢，就越难在附近，影响潜在的互动。”
研究人员还比较了不同大小的粒子系统的活动，发现具有不同大小的粒子并没有在分子的整体行为上产生明显的差异。虽然模拟不包括细胞中也存在的DNA链或代谢物颗粒，但它们确实包含了多达五十万个物体。使用布朗和斯托克斯物理学原理，Skolnick和Chow考虑了粒子在直径为几微米的受限球形单元内的作用。
“从计算机模拟的结果来看，我们可以测量我们认为可能有趣的东西，例如靠近墙壁和远离墙壁的扩散速率，”Chow说。“在我们发现某些事情迫使我们提出更多问题和分析更多数据之前，我们通常不知道我们在寻找什么。”
这种模拟需要大量的计算时间，因此所使用的算法必须足够高效才能在合理的时间内完成。算法的“艺术”与处理时间的保真度有关。即使模拟非常大，他们也设法研究受限粒子的动作不超过毫秒。“这部分技术是猜测什么是一个合理的近似模拟系统，但不是那么简单，不能轻易或太复杂，你不能超过模拟的几个步骤，”Chow解释说。 。
当然，科学家们可以研究真实的细胞。但是模拟提供了真实无法做到的事情：能够打开或关闭某些力来隔离其他过程的影响。例如，在Skolnick和Chow希望建造的模拟细胞中，他们将能够打开和关闭水动力，使他们能够研究这些力对真实细胞功能的重要性。
模拟结果可以表明通过实验确认或拒绝假设，这可以导致进一步的问题和模拟。“这成为了一个可以用来理解真实细胞的工具，”周说。“这是一个虚拟系统，你可以用它来玩你想要的所有游戏。”
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