Zellwachstum

Simulierte Zelle mit 500 Genen verdeutlicht Energieflüsse

Robert Klatt

Eine simulierte Minimalzelle mit 500 Genen kann die Prozesse einer lebenden Zelle bis hin zum Zellwachstum widerspiegeln.

Urbana-Champaign (U.S.A.). Im Jahr 2013 haben Forscher die erste komplette Simulation einer lebenden Zelle erstellt. Deren biologische Funktionen waren jedoch noch relativ simpel in nur 28 Module mit Input- und Output-Größen unterteilt, die mithilfe einer Zustandstabelle zusammengefasst waren. Laut der damaligen Publikation (PDF) wurde der Zustand der Module in einer randomisierten Reihenfolge abgerufen. Sobald dies für alle Module erfolgt ist, wurde die Zustandstabelle aktualisiert und der nächste Zyklus gestartet.

Nun haben Wissenschaftler der University of Illinois eine deutlich komplexere 3D-Simulation einer lebenden Zelle erstellt. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Cell bildet diese die chemischen und physikalischen Eigenschaften einer realen Zelle auf Partikelebene ab.

Eigenschaften von Tausenden von Zellkomponenten

Dies ist möglich, weil die aktuelle 3D-Simulation über die exakten chemischen Eigenschaften und die genaue Lage von  Tausenden von Zellkomponenten verfügt. Sie kann so verfolgen, wie lange Moleküle benötigen, um durch die Zelle zu diffundieren und dann aufeinanderzutreffen. Auch die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen und die benötige Energie für jeden Schritt lassen sich mit der simulierten Zelle abbilden.

Minimalzelle mit reduzierter Anzahl von Genen

Um die zur Simulation benötigte Rechenleistung zu verringern, modellierte das Team um die Chemieprofessorin Zaida Luthey-Schulten eine sogenannte Minimalzelle mit einer reduzierten Anzahl von Genen. Die Minimalzelle enthält somit nur Gene, die für die Replikation und Funktion der Zelle essenziell sind.

Als Basis diente die Mykoplasmen-Zellen, die im Jahr 2016 von Forschern des J. Craig Venter Institute synthetisiert wurde, um zu belegen, dass eine Zelle mit einem Minimalgenom aus nur etwa 500 Genen leben kann. Eine natürliche E. coli-Zelle ist deutlich komplexer und besteht aus rund 5.000 Genen.

NVIDIA GPUs simulieren Zelle

Obwohl die Minimalzelle verhältnismäßig simpel aufgebaut ist, benötigt die Simulation noch immer eine sehr hohe Rechenleistung. Die Wissenschaftler nutzten dazu NVIDIA GPUs, mit denen sie rund 20 Minuten des Lebenszyklus simulieren könnte. Anhand dieses Modells konnten sie ermitteln, dass ein Großteil der Energie einer Zelle für den Transport von Molekülen durch die Zellmembran benötigt wird.

„Wenn man diese Berechnungen seriell oder auf der Ebene aller Atome durchführen würde, würde das Jahre dauern. Aber da es sich um unabhängige Prozesse handelt, konnten wir den Code parallelisieren und GPUs nutzen“, erklärt Zane Thornburg, Doktorand und Hauptautor der Studie.

Cell, doi: 10.1016/j.cell.2021.12.025

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