20 Minuten Leben: Simulierte Zelle zeigt Energieflüsse

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Wissenschaftler der University of Illinois in Urbana-Champaign haben eine 3D-Simulation einer lebenden Zelle entwickelt, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Zelle auf Partikelebene nachbildet. Die dortige Chemie-Professorin Zaida Luthey-Schulten hat das entsprechende Paper jetzt in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht.

Die erste komplette Simulation einer lebenden Zelle von 2013 unterteilte die biologischen Funktionen der Zelle noch relativ grob in 28 Module mit Input- und Output-Größen, die in einer Zustandstabelle zusammengefasst waren. Nach jedem Zeitschritt werden alle Module in zufälliger Reihe aufgerufen – wenn alle Module abgearbeitet sind, wird die Zustandstabelle aktualisiert und der nächste Zyklus beginnt.

Die aktuelle 3D-Simulation nutzt hingegen die genaue Lage und die chemischen Eigenschaften von Tausenden von Zellkomponenten. Sie verfolgt, wie lange diese Moleküle brauchen, um durch die Zelle zu diffundieren und aufeinander zu treffen, welche Arten von chemischen Reaktionen dabei ablaufen und wie viel Energie für jeden Schritt erforderlich ist.

Um den rechnerischen Aufwand zu begrenzen, modellierten die Forschenden daher eine so genannte Minimalzelle. Solche Zellen enthalten nur eine reduzierte Anzahl von Genen, die für das Überleben, die Funktion und die Replikation der Zelle wichtig sind. Als Grundlage für das Modell dienten ihnen Mykoplasmen-Zellen, die von Wissenschaftlern des J. Craig Venter Institute 2016 synthetisiert wurden, um zu zeigen, dass die Zellen mit einem Minimalgenom rund 500 Genen lebensfähig sind – während eine natürliche E. coli-Zelle rund 5.000 Gene besitzt.

Weil das Modell trotzdem noch immer sehr aufwendig ist, nutzten die Forschenden NVIDIA-GPUs. Sie simulierten 20 Minuten des Lebenszyklus der Zelle. Das Modell zeigte, dass die Zelle den Großteil ihrer Energie für den Transport von Molekülen durch die Zellmembran aufwendet. “Wenn man diese Berechnungen seriell oder auf der Ebene aller Atome durchführen würde, würde das Jahre dauern”, sagt Zane Thornburg, Doktorand und Hauptautor der Studie. “Aber da es sich um unabhängige Prozesse handelt, konnten wir den Code parallelisieren und GPUs nutzen.”

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(wst)

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