Впервые создана компьютерная модель живой клетки

    Ученые в Стэнфорде совершили огромный шаг вперед: впервые была создана полная цифровая модель организма и всего его жизненного цикла. Для создания компьютерной модели крошечной бактерии Mycoplasma genitalium потребовалось написать 28 независимых взаимодействующих друг с другом модулей, симулирующих процессы живой клетки и оперирующих 1.900 параметрами. Для описания их поведения использовались 900 различных научных отчетов. Сложность модели высока: лишь для процесса деления одноклеточного требуется 10 часов симуляции, а на выходе получается полгигабайта данных.

    Mycoplasma genitalium — простой паразит, обитающий в мочеполовых и дыхательных путях. Бактерия привлекает исследователей в первую очередь размером своего генетического аппарата — у M. genitalium всего 525 генов, в то время как у более традиционной лабораторной E. coli их 4.288. Несмотря на характер микроорганизма и трудности в работе с паразитом, малое количество генов делает его привлекательным для биоинженеров: именно с участием M. genitalium в 2008 году впервые была создана искусственная хромосома.

    Целью же этого эксперимента было, как говорит соавтор исследования, аспирант биофизики в Стэнфордском университете Джонатан Карр, не разбор процессов M. genitalium, а улучшение понимания биологии вообще. В отчете описывается работа модели, например, для динамики протеина связывания ДНК и определения функций новых генов. Ученые заметили, что хотя длительность индивидуальных стадий развития различается от клетки к клетке, общий период существования организма почти постоянен, как предполагается, из-за встроенного механизма отрицательной обратной связи.

    За последние два десятилетия появилось значительно больше информации о строении клеточной структуры, но все эксперименты сводятся к замене одного гена и наблюдению за результатами. То, что не получалось осуществить с реальным организмом, позволит произвести его компьютерная модель. Необходимость в подобных цифровых расчетах обусловлена тем, что каждый ген не просто регулирует признак, многие признаки являются следствием взаимодействия сотен и тысяч генов. Понять, как что-либо функционирует, трудно, если не иметь воссозданной схемы его работы.

    Будущее подобных исследований обещает появление индивидуальной генной медицины и био-CAD, пакетов биологического автоматизированного проектирования, которые помогут избежать метода проб и ошибок, применяющегося сейчас из-за того, что мы ещё не до конца понимаем процессы даже простейшего организма.

    Публикация в Science Direct
    Поделиться публикацией

    Комментарии 81

    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        +3
        Если проводить аналогии, ошибок в клоне в первой альфе будет очень много. Так что придется запастись терпением
          +2
          так что придется запасаться пистолетом на случай «внештатных сбоев»
            +3
            Скорее напалмом.
              +5
              И Милой Йовович
                +3
                Вы хотели сказать «милой Йовович»?
                  +1
                  Насколько я понимаю, можно писать и так, и так.
          +5
          Поосторожнее с клонами, хоть и цифровыми: ссылка.
            +1
            Спасибо за рассказ, не читал, очень интересно. Но всё-таки маловероятно, по-моему.
              +1
              На данный момент, конечно, маловероятно: технические средства пока недостаточны для удовлетворительной эмуляции человека. Да и модель как таковая отсутствует. Но если эти этапы преодолеть и получить почти человека (во всяком случае со свободой воли), то как и действия реальных людей их предсказать будет довольно трудно. Проблема в том, что далеко не всегда действия обуславливаются явной и простой логикой. А теперь представьте, что в программу вместе со «слепком личности» был перенесён и сам мотив (притом достаточно сильный). Он мог вылиться в такой поступок программы. Маловероятно, но возможно.

              Ну, это так, если серьёзно.
              +1
              или обратная сторона медали — рассказ
                +1
                Или я чего-то не понял, или Вы что-то забыли :)
                  +2
                  www.kconnect.kz/blog/47.html — ссылка не попала…
                    +1
                    Да ладно, что Вы так. Мясо-мясо. Посмотрите:
                    раз (youtube)
                    два
                    Это же поражающее воображение скопление нанороботов.
                      +2
                      меня вы этим не удивите, я химик по образованию ). У Природы есть много всего интересного в наномире, что стоило бы использовать и в макромире на работе.
                +19
                А откуда вы знаете, что вы не компьютерная модель всего человека? :)
                На всякий случай, передаю привет ученым из вышестоящего Стэнфорда :}
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  +1
                  А надо ли моделировать все взаимодействия происходящие в нейронах и между ними? Достаточно много исследований показывает, что один нейрон сам по себе не означает столь многого. Это простая биологическая подстраховка, чтобы смерть клетки не означала выбывание знаний. Возможно (да, только возможно), что достаточно будет смоделировать процессы более высокого порядка.
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      +1
                      Да, для биохимики мозга не подойдёт, а для описания даже уже физиологических уже может и подойти. Но тут тонкая грань. Гормоны (постоянно ведь влияют), алкалоиды, наркотики, LSD-25 (вроде) действуют на биохимическом уровне, так что их влияние может оказаться за бортом, если не создавать какую-то аппроксимирующую модель их влияния.

                      А полноценной модели не существует. На то она и модель. А вдруг не хватает корректности описания квантовых процессов в мозгу, которая влияет на биохимику, а значит уже будут отклонения, которые в масштабах мозга могут вылиться во что угодно.
                        +1
                        Мозг вообще еще не изучен полностью, поэтому о его модели говорить еще рано
                          +1
                          Да, я знаю. Но если с точностью смоделировать низкоуровневые процессы и структуру чьего-либо мозга (если технические средства это позволят), то можно получить модель настоящего мозга. Естественно, это не прибавит в понимании как работает мозг. Но после проведения компьютерных экспериментов это самое понимание может и улучшиться.

                          PS я сознательно за бортом оставляю многие неструктурные (потенциалы электрического поля, например) связи мозга, которые сейчас мы скопировать, в отличие от структуры мозга (даже это очень проблематично на самом деле), даже не представляем как. На данный момент с превеликим трудом (при условии исследований в данной области) сможем скопировать мозг (разрушив его при этом) как процессор. Но только вот не останется никакой информации о памяти. Во всяком случае сейчас и ближайшем будущем.
                            +1
                            Скоро «виртуальный друг» будет значить, что у вас есть электронная копия человека в друзьях где-то на серверах, а не пользователь сидящий где-то на другом конце земли ))
                              +2
                              Вы правы. А вообще я не представляю как можно смоделировать например подсознание или рефлексы

                              Все-таки мы еще очень далеки от понимания того, как работает мозг
                                +1
                                может мы с вами и далеки) поверьте, есть люди, которые очень близки, ну или намного ближе. Рядовой невропатолог знает о мозге и его работе в сотни раз больше нашего, я уж не говорю об ученых, который изучают его на протяжении всей жизни.
                  +4
                  Это да! Но вот чтобы он пошевелил рукой на 1 миллиметр, придётся моделировать процессы в мышечных клетках и клетках спинного мозга лет эдак дцать…
                    +3
                    Закон Мура?
                      +4
                      Закон Мура эмпирический. Сегодня работает, а завтра может и перестать.
                        +6
                        Закон Мура — частный случай гораздо большей закономерности, которая работает практически с момента возникновения Вселенной и носит, по всей видимости, универсальный характер. И даже в рамках одних только ИТ это уже пятая парадигма (т. е. ИТ развивались по закону ускоряющейся отдачи на механике, лампах и т. д., еще когда Мур пешком под стол ходил). То есть, когда из кремния выжать что-то качественно мощное будет уже сложно, драйвером ускорения станет что-то другое, тот же графен например, и основным показателем прогресса в этой сфере будет уже не количество транзисторов на единицу площади, а что-то другое.

                        Но это уже детали. Важно, что принципиально такое моделирование никакой фундаментальный закон не ограничивает, и есть все основания ожидать его в ближайшие пару-тройку десятков лет.
                          +1
                          Ещё раз. То, что закон эмпирический, означает, что ничего кроме практики его не подтверждает. И есть все основания ожидать, что его действие не будет постоянным. Вопрос когда он перестанет действовать я не рассматриваю (не имею представления об этом). Точно так же не утверждаю, что закон не может быть доказан в будущем как теорема.
                            –1
                            Э-э-э, а что может подтверждать любой закон кроме практики? Вот есть законы Ньютона — что их подтверждает кроме практики (и то, далеко не всегда)?
                              +1
                              Законы Ньютона описывают (сегодня) также и область их применения, вообще-то. И да, практика может подтверждать законы. Дальше. Постулировать сложные законы и вводить предельно простые аксиомы исходя из практики — две большие разницы. Имхо, закон Мура не тянет на аксиому по сложности.
                                +6
                                Аксиомы — они только в математике. А в физике никаких аксиом, к счастью, нет, а есть только общепризнаные теории. Любая гипотеза должна пройти проверку практикой, прежде чем она станет общепризнаной теорией. Но это еще не значит что она на 100% верна во всех случаях. Закон Мура — такая же теория. Да, она не общепринята, но эмпирические данные в ее пользу есть, а данных, котороые бы говорили что закон не работает — нет.

                                Можно это сравнить с теорией вымирания динозавров из-за падения метеорита. Имеющиеся данные говорят о том что так и было, но нельзя быть в этом увереным на 100%. Тем не менее большинство ученых все же сколняются к мысли что эта теория верна.
                            +1
                            Закон Мура — частный случай гораздо большей закономерности, которая работает практически с момента возникновения Вселенной и носит, по всей видимости, универсальный характер.
                            А вот это высказывание мне вообще не ясно на чём основано. О какой закономерности идёт речь? Что значит «практически с момента Возникновения вселенной»? Откуда известно, что вселенная образовалась в один момент? Ну, и т.п. Чуть подробнее можно, раз уж Вы берётесь утверждать, что закон Мура это не хухры-мухры, а что-то, что будет работать ещё долго? No offence, действительно интересно, почему Вы так считаете.
                              +5
                              Я утверждаю, что не «закон Мура будет работать еще долго», а что логический конец закона Мура в его строгом понимании (плотность кремниевых микросхем на единицу площади, которая ограничена атомарным строением вещества) вовсе не означает, что дальнейший рост вычислительных мощностей человеческой цивилизации прекратится или существенно замедлится. Строгое доказательство этого утверждения на данный момент, разумеется, слишком велико для коммента или даже комментопоста, но в целом существуют гораздо большие эмпирические основания ожидать, что прогресс в этом направлении (в какой бы то ни было форме) продолжится и будет ускоряться дальше, нежели что он вдруг тупо возьмет и остановится.

                              Подробнее — см. Ray Kurzweil «The Singularity Is Near» и более ранние «The Age Of Spiritual Machines», «The Age Of Intelligent Machines».
                                +1
                                Теперь ясно, что вы имели в виду. А за книги — отдельное спасибо.
                                +1
                                Что значит «откуда известно что вселенаая образовалась в один момент»? У вас вызывает сомнения теория большого взрыва?

                                К слова, абсолютно все законы принимаемые человечеством как истинные являются носят эмпирический характер. Все без исключения. Разница только в количестве фактов говорящих в их пользу. Закон Мура, к примеру, есть частные случай более общего явления, известного как law of accelerating returns. По ссылке достаточно подробно описаны аргументы в пользу Мура, вставлять их в комментарий не вижу смысла.
                                  +2
                                  Со статьёй ознакомлюсь, спасибо. А теория большого взрыва тоже неспроста названа теорией, верно?
                          +1
                          можно создать специальную железку со своей осей и специфическими инструкциями для многократного ускорения эмуляции и передачи данных на обычный компьютер.
                        +5
                        Золотая мечта евгеники все ближе и ближе. Мне кажется что генный инженер вообще самая пристижная профессия не столь отдаленного будущего. Работа на стыке информатики и биологии. В скольких областях понадобятся такие специалисты. От создания бактерий, эффективно преобразующих любую биомассу в топливо, или создающих какие-нибудь редкие органические соединения для лекарств, до написания «патчей» для человеческого генетического аппарата. Например надоели мне карие глаза, сделал патчукол, бац — зеленые… Или шестой палец отрастить… А уж био-хакеры что творить начнут, страшно представить
                          +27
                          Кошкодевочек, конечно. Вперед к нэкомими-будущему.
                          +10
                          Где можно скачать?
                            +1
                            Представляете на сколько сложна будет модель человека? Если для создания модели крошечной клетки пришлось оперировать 1900 параметрами, а в человеке сколько клеток, при чем сложнее на много. Что-то в голове не укладывается сколько ресурсов потребутся для написания)
                              +2
                              Программировать надо не все клетки организма, а «всего лишь» одну всем известную протоклетку.
                              Было бы интересно, как они закодят какой-нибудь многоклеточный организм (не обязательно человека), и как он будет развиваться из одной клетки.
                                +3
                                Даже эта одна клетка намного сложнее описанной в данной статье и смоделировать вероятно очень сложно
                                  +4
                                  Поэтому в кавычках. Никто не говорил, что легко. Но если их метода верна, и у них работает механизм деления, то это не невозможно. Возможно проблема больше в вычислительных мощностях а не в сложности программирования. Если смогли закодить почти 2 тысячи генов, то смогут и больше.
                                  Так что ждем прототоип какой нибудь дрозофилы.
                                    +1
                                    Но вот про деление это вообще ключевой момент, это да. Но не понятно, что значит, что они построили «модель клетки». Условие задачи не написано.
                                  +1
                                  ну а дальше? в организме клетки-предшественники впоследствии развиваются в более дифференцированные, и все это заложено именно в генах. Может дадим компьютеру пару миллионов лет, чтоб он сам научился из протоклетки че то там дифференцировать? =)
                                  +1
                                  Мне кажется у гугла уже хватит ресурсов для какого-нить органа)
                                  –20
                                  Человечество движется в сторону осуществления своих кошмаров. Все эти ужастики с мутантами и роботами… всё именно так и произойдет, если мы будем продолжать гонку в этом направлении. Не стоит шутить с природой… с ней лучше дружить, постичь её тайны посредством разума и полного взаимодействия с ней. Все эти мегаполисы и ужасные заводы, опасные эксперименты и техника. В первую очередь этим процессом движет (и стимулирует его) человеческая Жадность и жажда наживы… Мне стыдно за человечество :( Мы ведь можем стать лучше, выбрать другой путь. Все Мы — одна большая Семья! И только сплотившись все вместе, помогая друг другу, сможем добиться нужных результатов правильным путём, стать на верный путь и проложить маршрут не только себе, но и своим потомкам.

                                  (автор — RooT)
                                  присоединяюсь
                                    +16
                                    > Все эти ужастики с мутантами и роботами…
                                    — плод именно ваших, биоконсерваторских фантазий. Для любого мало-мальски знакомого с биологией подобный фильм — еще больший бред, чем для ИТшников — фильмы о хакерах, снятые ламерами.

                                    > постичь её тайны посредством разума
                                    Для чего кагбэ и нужен сабж.

                                    > полного взаимодействия с ней
                                    > с ней лучше дружить
                                    Опять же налицо шаблон мышления биолуддитов — представление, будто все ученые и генные инженеры какие-то безбашенные сволочи, которым не терпится заразить все человечество или всю биосферу каким-нибудь супервирусом.
                                    Рекомендую почитать блоги специалистов или посмотреть выступления на TED, например:
                                    ieet.org/index.php/IEET/more/6073
                                    ieet.org/index.php/IEET/more/6058
                                    ieet.org/index.php/IEET/more/6065
                                    и это распиаренное массовой культурой противоречие между «природой» и НТП начнет разрешаться.

                                    > Мы ведь можем стать лучше, выбрать другой путь. Все Мы — одна большая Семья! И только сплотившись все вместе, помогая друг другу
                                    Вот Вы для себя это решили. А какой-нибудь бомж из трущоб Каира в упор не понимает, почему это Вам нужно помогать. И не поймет, пока не поднимется вверх по пирамиде Маслоу. А это возможно по мере перехода всей мировой экономики на новый уровень, что в свою очередь зависит от развития науки и техники, и по мере распространения рационально-гуманистического мировоззрения (иначе такой бомжик, даже разбогатев, будет продолжать считать вас «неверным» и финансировать терроризм). И разработчики конкретных технологий для этого делают явно больше, чем авторы всей этой антинаучной хуйни в стиле «нью-эйдж», ибо создают
                                    > Все эти мегаполисы и ужасные заводы
                                    без которых Вы бы сейчас в лучшем случае трахались 14-16 часов в поле, в худшем — просто сдохли бы еще в детстве от голода или какой-нибудь инфекции.

                                    На закуску предлагается инфографика о печати человеческого тела:
                                    ieet.org/index.php/IEET/more/6017
                                      +1
                                      This site is currently unavailable
                                      А так хотелось посмотреть…
                                        +1
                                        Только что проверил — открывается.
                                          +1
                                          Ага, похоже что это у моего провайдера проблемы.
                                        +1
                                        Очень страстно. Есть только одно сомнение — а вы точно определили, на какой ступени пирамиды Маслоу находится бомж из трущоб Каира? Хотя с дальнейшими выводами я абсолютно согласен.

                                        Но мне вот непонятен переход, каким образом экономика так сильно зависит от развития науки и техники и гуманистического воззрения. Не в смысле, что я отрицаю это, но в смысле, что я не представляю закона, которым это обусловленно.

                                        Хотя, идея перехода мировой экономики на новый уровень, кажется, и есть обьяснение. А каковы предложения, теории того, какой должна быть экономика нового уровня?
                                          +1
                                          будто все ученые и генные инженеры какие-то безбашенные сволочи, которым не терпится заразить все человечество или всю биосферу каким-нибудь супервирусом.

                                          Нет такого представления, как нет такого представления и обо всех айтишниках, но вирусы кто-то пишет, ботнеты существуют и спам рассылается. А тут речь идёт о среде обитания, а не просто вычислительной и коммуникационной.
                                          +1
                                          З. Ы. Вот еще, только что из твиттера от того же автора на ту же тему:
                                          The Ecological Human
                                          Any Sufficiently Advanced Civilization is Indistinguishable from Nature
                                            +7
                                            Да вы луддит, батенька.
                                            +11
                                            О, в нашем цифровом океане появились настоящие одноклеточные!
                                              +8
                                              Прям развитие жизни на земле повторяется в цифровом виде
                                                +1
                                                Нужно готовить антивирусы, а то ещё убежит и начнёт паразитировать.
                                                  +1
                                                  Mycoplasma genitalium — простой паразит, обитающий в мочеполовых и дыхательных путях.

                                                  Паразитировать начнет не раньше, чем у компьютеров появятся мочеполовые и дыхательные пути :)
                                                    +2
                                                    Не уверен про дыхательные, но первого в Сети навалом.
                                                      0
                                                      Ботнет для ускорения деления клетки из пор*о*др*о*еров и дата-центров youporn?
                                                  0
                                                  Теперь вместо НЛО будут оставлять записи одноклеточные)
                                                  0
                                                  «Жизнь» версии 100500? :)

                                                  А если серьёзно, то страшновато становится.
                                                    +1
                                                    Что страшного то? Мне ничуть.
                                                    +2
                                                    Сайт журнала Cell похоже под хабраэффектом.

                                                    А здесь есть код моделирования, использовавшийся авторами исследования. И, что интереснее, методика моделирования.
                                                      +4
                                                      Судя по перечню классов, это весьма поверхностная модель, оперирующая известными видами молекул и реакций. Не понимаю, как на ней свойства новых молекул изучать… там же фолдинг даже не моделируется, не говоря уж о воздействии молекул со всем возможным окружением!
                                                        +1
                                                        А что за язык то такой? Расширение .m и все пакаджи с плюса начинаются. Но вообще кода там нормально, все на уровне химии. И в симуляции несколько клеток могут участвовать, айдишник есть.
                                                          +1
                                                          Протупил, это матлаб, там есть код для компиляции перлом.
                                                          +2
                                                          >там же фолдинг даже не моделируется, не говоря уж о воздействии молекул со всем возможным окружением!

                                                          Фолдинг и молекулярная динамика это более низкий уровень и биологам в массе скорее малоинтересен (это епархия биохимиков и просто-химиков).

                                                          Изучают не свойства новых молекул, а предсказывают какие-то регуляторные пути, которые могут оставаться невыявленными. И выбран как раз требуемый уровень детализации для решения такой задачи.
                                                            +2
                                                            Плюс в хаотических биологических системах очень много зависит от «тонкой настройки», которую реально изучать только на таких моделях.

                                                            Собственно, это ключ к настоящей функциональной расшифровке генома, т.к. то что делается классическими методами это очень грубо.
                                                        +7
                                                        Ну все, еще пару лет и
                                                        «Урод, во время нашего сенса ты заразил мой компьютер микоплазмозом!!! „
                                                        “Или дорогой, откуда у нашего компьютера трипер, опять по порносайтам шлялся!»
                                                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                          +1
                                                          Интересно, GPGPU использовался? И как процессы симулировались? На физико-химическом уровне?

                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                          Самое читаемое