Взгляд на клетку в совершенно новом измерении
Искусство и наука традиционно рассматривались как две отдельные дисциплины. Но ученые из Scripps Research показывают, как эта комбинация позволяет нам постичь наш микроскопический мир беспрецедентными способами.
Структурные и вычислительные биологи из Scripps Research объединились с талантливыми молекулярными художниками, чтобы создать самую первую трехмерную модель целой клетки. Новая визуализация бактериальной клетки Mycoplasma genitalium включает подробный снимок своих внутренних компонентов и представляет собой новый способ визуализации клеточной среды в здравоохранении и медицине. Процесс был подробно описан в недавней статье в Journal of Molecular Biology .
Подобно списку ингредиентов, ученые Исследовательского центра вычислительной структурной биологии Скриппса (CCSB) тщательно отобрали типы и концентрации внутренних элементов бактериальной клетки, от ее ДНК и РНК до всех функциональных белков.
Используя инструменты моделирования, ученые затем собрали их, чтобы создать единую картину биомолекулярной структуры, опираясь на плодотворную работу, проведенную в 2012 году лабораторией Covert в Стэнфордском университете, которая смоделировала необработанные данные для этих внутриклеточных компонентов.
«Идея состоит в том, чтобы заполнить пробел между тем, что мы можем видеть с помощью обычной световой микроскопии, и методами атомного разрешения, такими как рентгеновская кристаллография или крио-ЭМ», — говорит Мартина Маритан, доктор философии , научный сотрудник лаборатории. профессора Дэвида Гудселла, доктора философии . «До сих пор не существовало методов, которые могли бы охватить диапазон масштабов от молекулярного до клеточного уровня».
Одна из причин, по которой эти сложные модели оказались невозможными, заключается в том, что у ученых ранее не было достаточно мощного компьютерного программного обеспечения. Чтобы решить эту проблему, ведущий разработчик Людовик Аутин, доктор философии , позаимствовал технологию, разработанную игровой индустрией, используя игровой движок под названием Unity для одновременной визуализации миллионов молекул и их точного взаимодействия.
«Наконец-то технология достигла такого уровня, когда мы можем воспользоваться текущим потоком биологической информации и построить модели такого размера и сложности», — говорит Гудселл.
На модели показана внешняя клеточная мембрана (серая/зеленая), состоящая из слоя липидов и белков, которые защищают внутреннюю часть клетки от внешней среды. Внутри мембраны изображены все белки в цитоплазме (синий цвет), в пространстве, где происходит большая часть клеточной активности и химических реакций. В этом пространстве расположены большие комплексы, называемые рибосомами (пурпурный цвет), которые действуют как клеточные машины для производства белка. За этим слоем находятся свернутые нити ДНК (желтые) и мРНК (розовые), цепочка кода-мессенджера, содержащая инструкции по созданию каждого белка.
В то время как модель все еще не может изобразить ионы или молекулы воды, прототип уже перевернул классическое представление о клетке с ног на голову.
«Несколько учителей старших классов и преподавателей колледжей, которые связались с нами, отметили, что никогда не осознавали, насколько занята и переполнена камера, — говорит Маритан. «Хрестоматийное представление о клетке как о простой сфере с несколькими объектами, плавающими посередине, оторвано от реальности».
Помимо того, что эта модель является ценным учебным пособием для учащихся, она также может улучшить способы, с помощью которых ученые выдвигают гипотезы и планируют эксперименты. Вместо того, чтобы думать об определенных молекулах и их мишенях изолированно, подобные модели побуждают исследователей думать об изучаемых ими клеточных компонентах в контексте сложной среды.
Забегая вперед, команда Гудселла заинтересована в моделировании других биологических систем, включая продолжение работы над такими вирусами, как ВИЧ-1 и SARS-CoV-2, а также над более сложными бактериями.