自20世纪初以来，科学家们已经知道细胞是由多种成分组成的，包括小分子、DNA、RNA和蛋白质。在过去的50年里，科学家们系统地测量了这些单独的成分及其相互作用。尽管取得了这些进展，科学家们仍然不明白复杂的生物行为，如生长和运动，是如何从分子水平产生的。

图1所示。全细胞模型从分子水平预测高级细胞行为。(A)生殖支原体全细胞模型结合了单个细胞子系统的多个子模型。我们通过将其输出与描述其生长速度(B)和RNA聚合酶占用(C)的实验数据进行比较来验证该模型。我们使用该模型来了解细胞如何调节其细胞周期(D)和分配能量(E)。

最近，我们和其他人已经开始将单个细胞成分的知识整合到全面的“全细胞”计算模型中。迄今为止，我们已经开发了一种小细菌生殖器支原体的全细胞模型(图1A)。该模型表示其所有关键功能，并预测它们如何组合以确定其行为。该模型由单个细胞通路的多个子模型组成。我们通过与独立实验数据的对比来验证模型(图1B,C)。我们已经使用该模型来了解细胞如何调节其细胞周期(图1D)，了解细胞如何在途径之间使用和分配能量(图1E)，估计添加新基因的代谢负担，并确定现有抗生素的新用途。

我们最近的回顾，“全细胞建模的原则”，详细介绍了全细胞建模的核心原则。综述还概述了如何构建全细胞模型，包括可用的软件工具。此外，该综述概述了实现完整的全细胞模型的公开挑战。

图2所示。全细胞模型具有实现精准医疗的潜力。在未来，临床医生可以使用由基因组数据提供的患者特异性模型来设计个性化的预后和治疗方法。

我们相信，更全面的细菌和人类细胞全细胞模型有可能改变生物工程和医学。在短期内，细菌全细胞模型，结合基因组合成、编辑和移植，可以帮助工程师构建工业上有用的细菌，这些细菌可以合成药物和净化废物。展望未来，人类全细胞模型还可以帮助医生根据患者独特的临床症状和实验室结果为其量身定制药物。例如，全细胞模型可以帮助医生为每位患者选择最佳的药物组合(图2)。实现完整的全细胞模型需要计算和实验生物学家、生物物理学家、计算机科学家和数学家之间的合作。

Jonathan R Karr, Yin Hoon Chew和Arthur Goldberg
遗传与基因组科学系
西奈山的伊坎医学院

出版

全细胞建模原理。
高桥K，桥桥A。
微生物学报。2015年10月

离线阅读:

相关文章:

	AMPK和PKA通路在鸡精子中的作用精子的功能包括精细和高能量消耗的过程，如运动和顶体反应的能力，即精子头部细胞质膜和底层细胞质膜的融合。
	4亿年前视紫红质基因的逆转录动物利用环境中的光作为重要的信息来源。我们可以通过视觉系统来辨别物体的颜色、亮度和形状。此外，动物还能探测到日常和季节性……
	蛋白质TMEM147是一种新的胆固醇调节剂。在陆生脊椎动物中，胆固醇是一种主要的固醇类脂质，具有多种至关重要的生物学作用。在细胞中，它是质膜的关键组成脂质，影响其…
	脑损伤或修复的RNA特征我们探索了进展性MS患者大脑中不同病变类型的机制特征:外观正常的白质(NAWM)、活动性、慢性活动性(缓慢扩张)、非活动性和修复性(髓鞘再生)病变……
	miRNA，一个不起眼但在发育过程中的关键角色…在一些国家，宫颈癌是影响45岁以下妇女的三大癌症之一。脱氧核糖核酸(DNA)序列的改变和修饰都起着关键作用。
	利用辣椒RNA适配体追踪活细胞中的mRNA信使rna (mrna)是一类在细胞核中产生的生物分子，它将遗传信息从细胞核携带到细胞的不同部位，以制造功能性的rna。