计算机生成的模拟细胞早期分裂阶段示意图。图片来源：Zane Thornburg

本报讯 研究人员首次模拟了活细菌细胞中几乎所有的化学反应，以及虚拟细胞复制其DNA并分裂成两个细胞的过程。论文作者、美国伊利诺伊大学香槟分校的Zane Thornburg表示，这项模拟有助于研究人员理解细胞壁内蛋白质、核酸、脂肪和其他分子的相互作用是如何产生生命的。3月9日，相关研究成果发表于《细胞》。

为了模拟细菌，Thornburg选择了一个最简单的例子：具有“最小”基因组的细菌细胞。这种名为JCVI-Syn3a的生物是通过将寄生虫支原体的基因组削减到493个基因创造出来的，它剔除了400多个非必需基因。

Thornburg创建了一个三维模型，用来模拟细胞的DNA、蛋白质、核糖体和其他生命分子随时间推移发生的变化。特定分子，如DNA复制酶，遵循基于现实世界测量的规则，相互作用的分子在物理空间靠近就会发生反应。

而有些功能细节则被模糊了，例如，几十个JCVI-Syn3a基因的功能仍然未知，因此研究人员将它们建模为惰性球体。此外，在真实细胞中，多个核糖体可以利用相同的mRNA转录本合成蛋白质，但Thornburg的模型只允许每个转录本对应一个核糖体。

团队的目标是模拟JCVI-Syn3a复制DNA并分裂成两个细胞的过程，即细胞周期。Thornburg说，一些早期尝试失败了，因为基因组的分解速度超过了合成速度，导致基因组从细胞膜中溢出。

在对这些问题进行调整后，他们运行了模型，最终重现了许多真实生命体的细节，包括细胞分裂时的膨胀和伸长。Thornburg表示，虚拟细胞分裂所需的105分钟与真实细胞繁殖所需的时间“惊人地接近”。然而，模拟这105分钟的过程在超级计算机上需耗时6天，凸显了运行此类细胞模型所需的计算强度。

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Bernhard Palsson说，这项模拟之所以意义重大，因为它捕捉到细胞活动的广度。“让所有这些过程在细胞周期中协调一致是一项巨大挑战。”

美国哈佛大学医学院的Marinka Zitnik认为，JCVI-Syn3a的模拟可以激发利用人工智能创建“虚拟细胞”的工作。人工智能虚拟细胞的目标是通过学习大量细胞生物学数据来模拟细胞的内部运作，而不是像Thornburg团队那样对生物化学的详细规则进行编码。

然而，为更好地反映生命，人工智能虚拟细胞需要像JCVI-Syn3a模型那样，考虑细胞如何随时间变化。“这项研究为数字细胞模型奠定了重要基础。”Zitnik补充道。

美国斯坦福大学的Markus Covert说，与人工智能虚拟细胞相比，JCVI-Syn3a模拟及类似“机制”的模型具有明显的优势，一些科学家认为，人工智能虚拟细胞可能还要十年才会出现。

此外，JCVI-Syn3a模拟和Covert团队正在开发的一个大肠杆菌模型，对数据的需求比人工智能模型小，而且从细胞模拟中获得的见解基于易于验证的生化机制。“这些模型可以引导我们思考以前从未考虑过的科学问题。”Covert说。（王铄）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.02.009