Marzo 25, 2020
I ricercatori hanno sviluppato il primo modello computazionale di una cellula umana e ne hanno simulato il comportamento per 15 minuti – il tempo più lungo raggiunto per un sistema biologico di questa complessità. In un nuovo studio, le simulazioni rivelano gli effetti dell’organizzazione spaziale all’interno delle cellule su alcuni dei processi genetici che controllano la regolazione e lo sviluppo dei tratti umani e alcune malattie umane.
Lo studio, che ha prodotto una nuova piattaforma computazionale disponibile per qualsiasi ricercatore, è pubblicato sulla rivista PLOS Computational Biology.
“Questo è il primo programma che consente ai ricercatori di creare una cellula umana virtuale e cambiare le reazioni chimiche e le geometrie per osservare i processi cellulari in tempo reale”, ha affermato Zhaleh Ghaemi, ricercatore dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign e autore principale dello studio.
Lavorando sull’idea che le parti interne delle cellule sono piene di vari organelli e molecole, il gruppo, guidato dal professore di chimica U. of I. Zaida Luthey-Schulten, si concentra su come il movimento delle singole molecole attorno ai numerosi ostacoli influenza le reazioni chimiche all’interno le cellule.
Per testare il nuovo modello, il team ha eseguito simulazioni di un processo chiamato RNA splicing, che è uno dei processi cellulari più complessi e un segno distintivo della biologia cellulare umana, hanno detto i ricercatori.
“La giunzione di RNA cambia le molecole di RNA messaggero che trasportano le informazioni necessarie dal DNA per formare le proteine”, ha detto Ghaemi. “Il processo utilizza una macchina cellulare complessa – chiamata spliceosoma – che richiede il traffico di precursori e componenti maturi attorno alle parti altamente compartimentate di una cellula. Ciò rende la giunzione di RNA ideale per studiare come la disposizione spaziale influenza le varie reazioni chimiche che prendono posto nelle celle “.
Le nuove simulazioni hanno rivelato una logica del perché i precursori dello spliceosoma si spostano tra i compartimenti del nucleo e del citoplasma, hanno detto i ricercatori.
“Anche se questo movimento sembra alquanto inefficiente e controintuitivo a prima vista, le nostre simulazioni indicano che sono essenziali per la corretta giunzione dell’RNA, e quindi la sintesi proteica”, ha affermato Martin Gruebele, professore di chimica e co-autore di studi. “Quando la sintesi proteica va male, può portare a malattie, incluso il cancro”
I ricercatori hanno progettato la piattaforma computazionale per modellare una varietà di processi cellulari pur essendo completamente personalizzabile dal ricercatore che la utilizza. “Ad esempio, potremmo usare questo modello per osservare quali tipi di proteine si formeranno se il processo di giunzione dell’RNA dovesse rimuovere solo due parti di una sequenza di DNA anziché tre”, ha detto Luthey-Schulten. “Ciò potrebbe fornire approfondimenti su come diverse proteine si formano e influenzano lo sviluppo delle cellule tumorali”.
Sebbene il modello di cellula umana più completo fino ad oggi, il modello computazionale abbia ancora ampio spazio per il progresso e la personalizzazione per studiare altri processi cellulari, i ricercatori hanno detto.
“Questa simulazione ci ha permesso di osservare la giunzione dell’RNA per 15 minuti”, ha detto Gruebele. “In definitiva, vorremmo essere in grado di eseguire il programma per molto più tempo e includere tutte le proteine necessarie per la replicazione genica, permettendoci di osservare la divisione cellulare in tempo reale. Le possibilità per il nostro gruppo – e altri perché il programma è ad accesso aperto – sono infiniti “.
Fonte:
Materiale fornito dall’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, News Bureau. Originale scritto da Lois Yoksoulian.
Riferimenti:
- Zhaleh Ghaemi, Joseph R. Peterson, Martin Gruebele, Zaida Luthey-Schulten. An in-silico human cell model reveals the influence of spatial organization on RNA splicing. PLOS Computational Biology, 2020; 16 (3): e1007717 DOI: 10.1371/journal.pcbi.1007717
University of Illinois at Urbana-Champaign, News Bureau. “Computational human cell reveals new insight on genetic information processing.” ScienceDaily. ScienceDaily, 25 March 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200325143817.htm>.