Para ilmuwan telah lama membuat simulasi digital alam semesta pada skala termegah. Sekarang mereka mengalihkan perhatian mereka ke sistem yang lebih kecil—meskipun sistem itu tidak kalah hebatnya.

Sel-sel dalam tubuh kita seperti alam semesta saku mereka sendiri: Campuran berputar dari alkimia molekuler yang telah terbukti terlalu rumit untuk didigitalkan secara rinci. Namun berkat kemajuan dalam biologi sintetik dan komputasi, sekelompok peneliti di University of Illinois, J. Craig Venter Institute, dan Dresden University of Technology mengatakan bahwa mereka telah menciptakan replika digital sel yang paling lengkap.

Simulasi 3D mencakup representasi digital dari segala sesuatu mulai dari DNA dan gen hingga mRNA, pabrik protein, dan membran lipid. Setelah selesai, para ilmuwan memulai sel simulasi mereka dan menyaksikannya tumbuh dari lahir hingga pembelahan pertamanya. Mereka percaya simulasi seperti ini akan membantu para ilmuwan menjelaskan prinsip-prinsip dasar kehidupan dengan lebih baik.

Sel Minimal

Pekerjaan ini didasarkan pada terobosan sebelumnya dalam biologi sintetik. Pada tahun 2016, para ilmuwan mengumumkan bahwa mereka telah membuat sel sintetis dengan menghilangkan genom bakteri ke dasarnya—hanya 473 gen—dan kemudian mensintesis genom minimal ini dan menambahkannya ke sel inang yang kosong. Meskipun “sel minimal” ini, yang disebut JCV-syn3.0, tidak ada di tempat lain di alam, ia masih dapat menjalankan bisnis kehidupan, tetapi hanya sedikit.

Menciptakan sel-sel paling sederhana yang ada membantu para ilmuwan mempersempit kehidupan ke persyaratan paling dasar—ini juga menjadi target yang sangat baik untuk simulasi digital.

Tim di balik studi baru-baru ini memperbarui JCV-syn3.0 dengan menambahkan beberapa gen untuk membuatnya lebih kuat. Sel minimal baru, JCV-syn3A, memiliki 493 gen. Itu lebih dari nenek moyangnya tetapi masih hanya setengah dari gen dalam Mycoplasma mycoides, bakteri yang memunculkan genomnya, dan seperdelapan jumlah gen pada bakteri E. Coli. Namun, para peneliti mengatakan fungsi dari 94 gen tersebut tetap menjadi misteri.

Baca Juga:  Elon Musk mengatakan layanan internet satelit Starlink SpaceX aktif di Ukraina dengan lebih banyak terminal dalam perjalanan

Motivasi pendorong di balik simulasi semua garis adalah untuk mempercepat dan menginspirasi eksperimen fisik. Dengan mensimulasikan sel secara mendetail, tim dapat menjalankan lebih banyak eksperimen lebih cepat sambil juga melacak setiap komponen dalam sel. Harapannya adalah untuk mempelajari fungsi dari 94 gen misteri itu dan mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang apa yang membuat hidup ini berdetak.

Tetapi pertama-tama, Anda memerlukan simulasi fidelitas tinggi yang mencerminkan hal yang sebenarnya.

The Sims

Untuk membuat sel digital, tim mengiris sel minimal mereka dan mencitrakan irisan untuk membantu mereka menempatkan komponen kunci sel dalam ruang 3D. Mereka menggunakan analisis protein internal sel dan protein yang membentuk membrannya untuk menentukan proporsi yang tepat dari masing-masing protein. Semua bahan di tempat, mereka dikodekan dalam sifat fisik dan kimia—peta jalan interaksi biokimia—termasuk bagaimana berbagai komponen berdifusi melalui sel dan energi yang digunakan sepanjang siklus hidup sel.

Sel yang disimulasikan memodelkan DNA, lipid, asam amino, transkripsi dan translasi gen, pabrik protein sel—ribuan interaksi. Ini adalah simulasi yang paling lengkap.

Hal yang paling penting, bagaimanapun, adalah untuk menguji simulasi dalam tindakan dan membandingkan hasilnya dengan perilaku sel nyata di laboratorium. “Kami membangun model komputer berdasarkan apa yang kami ketahui tentang sel minimal, dan kemudian kami menjalankan simulasi,” kata mahasiswa pascasarjana Universitas Illinois Zane Thornburg. “Dan kami memeriksa untuk melihat apakah sel simulasi kami berperilaku seperti aslinya.”

Sebagian besar perilaku sel yang disimulasikan sejalan dengan pengamatan di lab, dan itu sudah melengkapi pemahaman tim tentang cara kerja sel serta membuat prediksi tentang bagaimana perubahan pada genomnya mungkin terjadi.

Simulasi, misalnya, memberi tim wawasan tentang bagaimana sel menganggarkan energinya—ia menghabiskan sebagian besar energinya untuk mengangkut nutrisi kunci melintasi membrannya—dan berapa lama molekul mRNA bertahan sebelum dipecah. Dalam satu kasus, tim mengubah genom sel digital, menambahkan kembali dua gen non-esensial, dan model memperkirakan perubahan akan mengurangi waktu antara pembelahan sel sebesar 13 persen. Setelah menjalankan eksperimen yang sama pada sel fisik di lab, tim menemukan waktu antar divisi berkurang 12 persen. Lebih banyak eksperimen seperti ini sedang berlangsung.

Baca Juga:  Demam seperti Ebola ada di Inggris — inilah yang perlu Anda ketahui

Kehidupan di Silico

Sementara pekerjaan itu menjanjikan, perilaku sel yang disimulasikan tidak selalu cocok dengan perilaku sel di lab. Juga, simulasi masih terbatas pada reaksi biokimia. Versi masa depan mungkin menambahkan fisika ke dalam persamaan.

“Untuk memahami sel sepenuhnya, kita perlu mengurutkan model semua gaya dan interaksi setiap atom atau molekul sel,” kata John Glass, rekan penulis studi baru dan pemimpin kelompok biologi sintetis di Venter Institute. kuantitas.

Tetap saja, menarik untuk memiliki model yang lengkap untuk dimainkan. Tim membuatnya tersedia untuk peneliti lain di GitHub dan sudah merencanakan peningkatan.

“Model kami membuka jendela tentang cara kerja sel, menunjukkan kepada kita bagaimana semua komponen berinteraksi dan berubah sebagai respons terhadap isyarat internal dan eksternal,” kata Zaida Luthey-Schulten, profesor kimia Universitas Illinois dan pemimpin studi. “Model ini—dan model lain yang lebih canggih yang akan datang—akan membantu kita lebih memahami prinsip-prinsip dasar kehidupan.”

Kredit Gambar: Universitas Illinois di Urbana-Champaign


Mencari cara untuk tetap berada di depan laju perubahan? Pikirkan kembali apa yang mungkin. Bergabunglah dengan kelompok 80 eksekutif yang sangat terkurasi dan eksklusif untuk Program Eksekutif (EP) unggulan Singularity, program transformasi kepemimpinan yang sepenuhnya imersif selama lima hari yang mengganggu cara berpikir yang ada. Temukan pola pikir, perangkat, dan jaringan baru dari sesama futuris yang berkomitmen untuk menemukan solusi terhadap laju perubahan yang cepat di dunia. Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut dan mendaftar hari ini!