今日熱門!人工生命中最關(guān)鍵的一步——虛擬細(xì)胞的構(gòu)建

(資料圖)

虛擬細(xì)胞模型的構(gòu)建及實(shí)例

1. 虛擬細(xì)胞的構(gòu)建虛擬細(xì)胞的構(gòu)建過程一般分為以下幾個步驟：    第一是由生物領(lǐng)域?qū)＜?，選擇建模對象，即選擇細(xì)胞的種類、虛擬的功能和細(xì)胞對內(nèi)外環(huán)境刺激引起的反應(yīng)等。     第二是建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫。目前認(rèn)為蛋白質(zhì)是細(xì)胞功能的載體，基因和蛋白質(zhì)是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功能的基本原件，是實(shí)現(xiàn)虛擬細(xì)胞的基本單元。因此，構(gòu)建任何類型的虛擬細(xì)胞，都必須以蛋白質(zhì)為核心，構(gòu)建相關(guān)數(shù)據(jù)庫。然而，僅建立蛋白質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫對于構(gòu)建虛擬細(xì)胞還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須搜集大量的相關(guān)蛋白及其相互關(guān)系和生理過程的數(shù)據(jù)。在大量數(shù)據(jù)搜集的基礎(chǔ)上，采用“面向?qū)ο蟆奔夹g(shù)（一種計(jì)算機(jī)科學(xué)方法論），依據(jù)各種物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的位置和作用進(jìn)行分類，建立數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)各反應(yīng)單元的靜態(tài)特點(diǎn)（如分布、結(jié)構(gòu)、同源性等）和動態(tài)特征（如功能、結(jié)合和作用部位、變異、調(diào)控等）等進(jìn)行分類與組合。    第三：設(shè)計(jì)與建模：這是構(gòu)建虛擬細(xì)胞和人工生命中最關(guān)鍵、最核心、最復(fù)雜的一步。即依據(jù)虛擬對象——特定的細(xì)胞與功能，依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)分析，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，將生物反應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬。再應(yīng)用信息科學(xué)的理論和技術(shù)，編寫程序，建立虛擬細(xì)胞的模型。數(shù)學(xué)分析和模擬的方法依據(jù)細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)和類型而有所不同，在細(xì)胞內(nèi)常見的反應(yīng)有合成分解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、磷酸化和脫磷酸化、以及酶聯(lián)反應(yīng)等。數(shù)學(xué)分析在描述這些反應(yīng)時首先把這些反應(yīng)分為有酶參與的反應(yīng)與沒有酶參與的反應(yīng)，再根據(jù)反應(yīng)類型及各自的特點(diǎn)確定反應(yīng)公式。    虛擬細(xì)胞的具體實(shí)現(xiàn)也有不同情況，目前美國采用J2EE實(shí)現(xiàn)虛擬細(xì)胞軟件系統(tǒng)，而日本采用C＋＋程序設(shè)計(jì)語言。其中J2EE是一個軟件開發(fā)構(gòu)架，C++是一種支持面向?qū)ο蠓椒ǖ木幊陶Z言。虛擬細(xì)胞的數(shù)學(xué)計(jì)算一般采用“Beowulf”結(jié)構(gòu)的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用將多個計(jì)算機(jī)連接起來共同完成任務(wù)的工作方式，具有非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。     通過數(shù)字模擬和計(jì)算機(jī)編程，不僅可以使細(xì)胞的不同物質(zhì)（單元）的相互作用和反應(yīng)數(shù)字化，使生物信號轉(zhuǎn)變成為可識別和處理的數(shù)字和電子信號，還可以對生物信號自動存儲、處理、分析、整合和應(yīng)用。使非生命的信號“活化”成為具有人工智能的細(xì)胞模型和虛擬生命，以存儲和再現(xiàn)細(xì)胞功能，并可以人為進(jìn)行干預(yù)，推測細(xì)胞功能、生理病理反應(yīng)和藥物的作用。     第四是組裝、測試和維護(hù)：目前所構(gòu)建的虛擬細(xì)胞，主要由控制界面，計(jì)算機(jī)存儲、分析和控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)計(jì)算系統(tǒng)和反應(yīng)界面四部分組成：    控制界面：主要提供給用戶進(jìn)行實(shí)際操作、可以依據(jù)用戶需要，選擇對象，輸入各種信號、參數(shù)，指令虛擬細(xì)胞進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)。     分析和控制系統(tǒng)：是虛擬細(xì)胞的核心。它不僅包括各種相關(guān)的儲存數(shù)據(jù)和資料庫，還包括各種可供分析和計(jì)算的軟件和模型，以及與輸入、傳出相關(guān)的正負(fù)反饋控制體系。     反應(yīng)界面：這是虛擬細(xì)胞或人工生命顯示結(jié)果的窗口，包括不同時間，不同空間，不同單元的數(shù)據(jù)、圖像、綜合與分析的結(jié)論和應(yīng)對措施等。虛擬細(xì)胞構(gòu)建是十分復(fù)雜的，不同的細(xì)胞、不同的虛擬對象和實(shí)現(xiàn)的功能，其構(gòu)建的形式亦不相同，需要反復(fù)驗(yàn)證和不斷完善(9,13)。

2. 虛擬細(xì)胞的模型目前國際上已有兩種虛擬細(xì)胞的模型，一個是1997年日本學(xué)者所建立的原核細(xì)胞能量代謝的模型；另一個是1999年美國學(xué)者所建立的真核細(xì)胞鈣轉(zhuǎn)運(yùn)的模型。此外，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）和能源部（DOE），正在籌建關(guān)于細(xì)胞信息傳遞和生物利用能量的虛擬細(xì)胞。

a. 虛擬原核細(xì)胞模型——日本虛擬細(xì)胞模型：     日本的虛擬細(xì)胞以細(xì)菌（M. genitalium）糖代謝過程為主要內(nèi)容，它選取了127個與糖和能量代謝過程相關(guān)的基因和蛋白質(zhì)作為“元件”，以細(xì)胞內(nèi)能量代謝的反應(yīng)過程為虛擬對象所建立的計(jì)算機(jī)模型。     這一模型主要采用面向?qū)ο蠓椒▽⒓?xì)胞內(nèi)的物質(zhì)和單元及其變化規(guī)律分為三類：“物質(zhì)”、“反應(yīng)”和“系統(tǒng)”。其中，“物質(zhì)”代表了細(xì)胞參與反應(yīng)的組份，包括基因、蛋白、酶等，基因表達(dá)和物質(zhì)濃度的變化為物質(zhì)主要的動態(tài)屬性；“反應(yīng)”代表了細(xì)胞中各種反應(yīng)的類型，以及這些反應(yīng)的動力學(xué)方程和相關(guān)參數(shù)，“反應(yīng)”的功能主要是表達(dá)參與反應(yīng)的物質(zhì)之間的關(guān)系和數(shù)量的變化；“系統(tǒng)”代表了細(xì)胞反應(yīng)的特定功能、結(jié)構(gòu)區(qū)、反應(yīng)場所和部位。應(yīng)用這一細(xì)胞模型可以模擬細(xì)胞內(nèi)糖、脂肪、甘油和能量代謝過程及機(jī)理。

b.虛擬真核細(xì)胞模型——美國虛擬細(xì)胞模型：     美國的虛擬細(xì)胞以真核細(xì)胞為虛擬對象，主要由客戶端（用戶界面）、數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器（細(xì)胞的建模）三部分組成。利用該虛擬細(xì)胞可以完成神經(jīng)母細(xì)胞瘤的鈣動力學(xué)、受精卵細(xì)胞的鈣離子流、RNA的轉(zhuǎn)運(yùn)、線粒體的作用和細(xì)胞核膜的作用等一系列關(guān)于真核細(xì)胞的生物學(xué)活動和功能。在使用虛擬細(xì)胞作實(shí)驗(yàn)時，首先由用戶通過客戶端向服務(wù)器提交實(shí)驗(yàn)“說明書”——試驗(yàn)的要求和涉及的物質(zhì)與反應(yīng)等，服務(wù)器根據(jù)用戶對實(shí)驗(yàn)的定義以及實(shí)驗(yàn)細(xì)胞的模型從后臺數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)并應(yīng)用服務(wù)器上的軟件和分析系統(tǒng)并進(jìn)行分析和處理，完成虛擬試驗(yàn)。最終的試驗(yàn)結(jié)果以類似生物學(xué)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的形式包括圖象、表格返回給用戶。在整個驗(yàn)過程中，用戶可以控制實(shí)驗(yàn)的各種參數(shù)和實(shí)驗(yàn)的過程?，F(xiàn)在，這種虛擬細(xì)胞已經(jīng)在網(wǎng)上發(fā)布，客戶可以向虛擬細(xì)胞提出要求和欲虛擬的對象，虛擬細(xì)胞便可以進(jìn)行網(wǎng)上的演算，并向客戶提供虛擬細(xì)胞工作的結(jié)果。