今日热门!人工生命中最关键的一步——虚拟细胞的构建

(资料图)

虚拟细胞模型的构建及实例

1. 虚拟细胞的构建虚拟细胞的构建过程一般分为以下几个步骤：    第一是由生物领域专家，选择建模对象，即选择细胞的种类、虚拟的功能和细胞对内外环境刺激引起的反应等。     第二是建立相关数据库。目前认为蛋白质是细胞功能的载体，基因和蛋白质是实现细胞功能的基本原件，是实现虚拟细胞的基本单元。因此，构建任何类型的虚拟细胞，都必须以蛋白质为核心，构建相关数据库。然而，仅建立蛋白质相关数据库对于构建虚拟细胞还是远远不够的，还必须搜集大量的相关蛋白及其相互关系和生理过程的数据。在大量数据搜集的基础上，采用“面向对象”技术（一种计算机科学方法论），依据各种物质在细胞内的位置和作用进行分类，建立数据库，并根据各反应单元的静态特点（如分布、结构、同源性等）和动态特征（如功能、结合和作用部位、变异、调控等）等进行分类与组合。    第三：设计与建模：这是构建虚拟细胞和人工生命中最关键、最核心、最复杂的一步。即依据虚拟对象——特定的细胞与功能，依据相关数据库和系统分析，通过数学计算，将生物反应过程实现数字化模拟。再应用信息科学的理论和技术，编写程序，建立虚拟细胞的模型。数学分析和模拟的方法依据细胞内反应物质和类型而有所不同，在细胞内常见的反应有合成分解反应、氧化还原反应、磷酸化和脱磷酸化、以及酶联反应等。数学分析在描述这些反应时首先把这些反应分为有酶参与的反应与没有酶参与的反应，再根据反应类型及各自的特点确定反应公式。    虚拟细胞的具体实现也有不同情况，目前美国采用J2EE实现虚拟细胞软件系统，而日本采用C＋＋程序设计语言。其中J2EE是一个软件开发构架，C++是一种支持面向对象方法的编程语言。虚拟细胞的数学计算一般采用“Beowulf”结构的并行计算机系统，这种计算机系统采用将多个计算机连接起来共同完成任务的工作方式，具有非常强大的计算能力。     通过数字模拟和计算机编程，不仅可以使细胞的不同物质（单元）的相互作用和反应数字化，使生物信号转变成为可识别和处理的数字和电子信号，还可以对生物信号自动存储、处理、分析、整合和应用。使非生命的信号“活化”成为具有人工智能的细胞模型和虚拟生命，以存储和再现细胞功能，并可以人为进行干预，推测细胞功能、生理病理反应和药物的作用。     第四是组装、测试和维护：目前所构建的虚拟细胞，主要由控制界面，计算机存储、分析和控制系统，数学计算系统和反应界面四部分组成：    控制界面：主要提供给用户进行实际操作、可以依据用户需要，选择对象，输入各种信号、参数，指令虚拟细胞进行分析和实验。     分析和控制系统：是虚拟细胞的核心。它不仅包括各种相关的储存数据和资料库，还包括各种可供分析和计算的软件和模型，以及与输入、传出相关的正负反馈控制体系。     反应界面：这是虚拟细胞或人工生命显示结果的窗口，包括不同时间，不同空间，不同单元的数据、图像、综合与分析的结论和应对措施等。虚拟细胞构建是十分复杂的，不同的细胞、不同的虚拟对象和实现的功能，其构建的形式亦不相同，需要反复验证和不断完善(9,13)。

2. 虚拟细胞的模型目前国际上已有两种虚拟细胞的模型，一个是1997年日本学者所建立的原核细胞能量代谢的模型；另一个是1999年美国学者所建立的真核细胞钙转运的模型。此外，美国国立卫生研究院（NIH）和能源部（DOE），正在筹建关于细胞信息传递和生物利用能量的虚拟细胞。

a. 虚拟原核细胞模型——日本虚拟细胞模型：     日本的虚拟细胞以细菌（M. genitalium）糖代谢过程为主要内容，它选取了127个与糖和能量代谢过程相关的基因和蛋白质作为“元件”，以细胞内能量代谢的反应过程为虚拟对象所建立的计算机模型。     这一模型主要采用面向对象方法将细胞内的物质和单元及其变化规律分为三类：“物质”、“反应”和“系统”。其中，“物质”代表了细胞参与反应的组份，包括基因、蛋白、酶等，基因表达和物质浓度的变化为物质主要的动态属性；“反应”代表了细胞中各种反应的类型，以及这些反应的动力学方程和相关参数，“反应”的功能主要是表达参与反应的物质之间的关系和数量的变化；“系统”代表了细胞反应的特定功能、结构区、反应场所和部位。应用这一细胞模型可以模拟细胞内糖、脂肪、甘油和能量代谢过程及机理。

b.虚拟真核细胞模型——美国虚拟细胞模型：     美国的虚拟细胞以真核细胞为虚拟对象，主要由客户端（用户界面）、数据库和服务器（细胞的建模）三部分组成。利用该虚拟细胞可以完成神经母细胞瘤的钙动力学、受精卵细胞的钙离子流、RNA的转运、线粒体的作用和细胞核膜的作用等一系列关于真核细胞的生物学活动和功能。在使用虚拟细胞作实验时，首先由用户通过客户端向服务器提交实验“说明书”——试验的要求和涉及的物质与反应等，服务器根据用户对实验的定义以及实验细胞的模型从后台数据库中提取数据并应用服务器上的软件和分析系统并进行分析和处理，完成虚拟试验。最终的试验结果以类似生物学实际试验结果的形式包括图象、表格返回给用户。在整个验过程中，用户可以控制实验的各种参数和实验的过程。现在，这种虚拟细胞已经在网上发布，客户可以向虚拟细胞提出要求和欲虚拟的对象，虚拟细胞便可以进行网上的演算，并向客户提供虚拟细胞工作的结果。