Los científicos han hecho durante mucho tiempo simulaciones digitales del universo en las escalas más grandes. Ahora están dirigiendo su atención a sistemas más pequeños, aunque esos sistemas no son menos grandiosos.
Las células de nuestro cuerpo son como sus propios universos de bolsillo: una mezcla vertiginosa de alquimia molecular que ha resultado demasiado compleja para digitalizar en detalle. Pero gracias a los avances en biología sintética y computación, un grupo de investigadores de la Universidad de Illinois, el Instituto J. Craig Venter y la Universidad Tecnológica de Dresden dicen que han creado la réplica digital más completa de una célula hasta el momento.
La simulación 3D incluye representaciones digitales de todo, desde ADN y genes hasta ARNm, fábricas de proteínas y membranas lipídicas. Una vez completada, los científicos pusieron en marcha su célula simulada y la observaron crecer desde el nacimiento hasta su primera división. Creen que simulaciones como esta ayudarán a los científicos a precisar mejor los principios fundamentales de la vida.
Células mínimas
El trabajo se basa en avances previos en biología sintética. En 2016, los científicos anunciaron que habían creado una célula sintética despojando un genoma bacteriano de su esencia básica (solo 473 genes) y luego sintetizando este genoma mínimo y agregándolo a una célula huésped vacía. Aunque esta "célula mínima", llamada JCV-syn3.0, no se encontraba en ningún otro lugar de la naturaleza, todavía podía vivir, pero apenas.
La creación de las células más simples que existen ayuda a los científicos a reducir la vida a sus requisitos más básicos; también lo convierte en un objetivo excelente para la simulación digital.
El equipo detrás del estudio reciente actualizó JCV-syn3.0 agregando algunos genes para hacerlo más robusto. La nueva célula mínima, JCV-syn3A, tiene 493 genes. Eso es más que su ancestro, pero todavía solo la mitad de los genes en Mycoplasmas mycoides, la bacteria que dio origen a su genoma, y una octava parte de la cantidad de genes en la bacteria E. Coli . Aún así, los investigadores dicen que las funciones de 94 de esos genes siguen siendo un misterio.
La motivación detrás de las simulaciones de todo tipo es acelerar e inspirar la experimentación física. Al simular celdas en detalle, el equipo puede ejecutar más experimentos más rápido y al mismo tiempo realizar un seguimiento de cada componente de la celda. La esperanza es aprender la función de esos 94 genes misteriosos y comprender mejor lo que hace que la vida funcione.
Pero primero, necesita una simulación de alta fidelidad que refleje la realidad.
Los Sims
Para hacer la celda digital, el equipo cortó su celda mínima e imaginó los cortes para ayudarlos a colocar los componentes clave de la celda en el espacio 3D. Utilizaron un análisis de las proteínas internas de la célula y las que forman su membrana para determinar las proporciones correctas de cada una. Todos los ingredientes en su lugar, se codificaron en características físicas y químicas, una hoja de ruta bioquímica de interacciones, incluida la forma en que los diversos componentes se difunden a través de la célula y la energía utilizada a lo largo del ciclo de vida de la célula.
La célula simulada modela el ADN, los lípidos, los aminoácidos, la transcripción y traducción de genes, las fábricas de proteínas de la célula: miles de interacciones. Es la simulación más completa hasta el momento.
Sin embargo, lo más importante fue probar la simulación en acción y comparar los resultados con el comportamiento de las células reales en el laboratorio. “Construimos un modelo de computadora basado en lo que sabíamos sobre la celda mínima, y luego ejecutamos simulaciones”, dijo el estudiante graduado de la Universidad de Illinois, Zane Thornburg . “Y revisamos para ver si nuestra celda simulada se comportaba como la real”.
Gran parte del comportamiento de la célula simulada se alineó con las observaciones en el laboratorio, y ya está completando la comprensión del equipo sobre cómo funciona la célula y haciendo predicciones sobre cómo podrían desarrollarse los cambios en su genoma.
La simulación, por ejemplo, le dio al equipo información sobre cómo la célula administra su energía (gasta la mayor parte de su energía transportando nutrientes clave a través de su membrana) y cuánto tiempo persisten las moléculas de ARNm antes de descomponerse. En un caso, el equipo modificó el genoma de la célula digital, agregando dos genes no esenciales, y el modelo predijo que el cambio reduciría el tiempo entre las divisiones celulares en un 13 por ciento. Después de realizar el mismo experimento en células físicas en el laboratorio, el equipo encontró que el tiempo entre divisiones disminuyó en un 12 por ciento. Más experimentos como este están en progreso.
La vida en Silico
Si bien el trabajo es prometedor, el comportamiento de la célula simulada no siempre coincidió con el comportamiento de las células en el laboratorio. Además, la simulación está, hasta el momento, limitada a reacciones bioquímicas. Una versión futura podría agregar física a la ecuación.
"Para comprender completamente la célula, necesitamos modelar todas las fuerzas e interacciones de cada átomo o molécula de la célula", dijo a Quanta John Glass, coautor del nuevo estudio y líder del grupo de biología sintética en el Instituto Venter. .
Aún así, es emocionante tener un modelo tan completo para jugar. El equipo lo puso a disposición de otros investigadores en GitHub y ya está planeando mejoras.
“Nuestro modelo abre una ventana al funcionamiento interno de la célula, mostrándonos cómo todos los componentes interactúan y cambian en respuesta a señales internas y externas”, dijo Zaida Luthey-Schulten , profesora de química de la Universidad de Illinois y líder del estudio. “Este modelo, y otros modelos más sofisticados por venir, nos ayudarán a comprender mejor los principios fundamentales de la vida”.
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