Группа ученых впервые в истории представила плное моделирование жизненного цикла бактериальной клетки с наномасштабным разрешением, отслеживая работу каждого гена, белка и химической реакции от репликации ДНК до клеточного деления. Результаты работы стали доступны в журнале Cell и позволяют существенно сократить количество лабораторных экспериментов, заменив их одной комплексной 4D-симуляцией.
Исследователи оцифровали синтетическую бактерию JCVI-syn3A, обладающую минимальным набором из 493 генов, необходимым для жизнедеятельности. Несмотря на упрощенную генетическую структуру, симуляция заняла колоссальные вычислительные ресурсы: один полный жизненный цикл, длительностью 105 минут, потребовал шесть дней работы суперкомпьютера Delta.
При визуализации внутренней структуры клетки ученым пришлось применять различные методы и алгоритмы, чтобы справиться с плотностью молекул в цитоплазме. Используя гибридный подход к моделированию, команда разделила вычисления на две группы, что значительно увеличило скорость симуляции. В результате удалось достичь высокой точности, и модель предсказала динамику репликации генома, которая сопоставима с реальными значениями.
Полученные данные открывают новые горизонты в клеточной биологии, позволяя не только тестировать гипотезы без необходимости в длительных экспериментах, но и получать уникальные инсайты о поведении живых клеток с учетом случайных факторов.