科學(xué)家在電腦中養(yǎng)活細(xì)胞：從出生到分裂，它走完了105分鐘的一生

屏幕上，一個(gè)細(xì)胞正在慢慢變大。它只有幾百納米寬，肉眼完全不可見(jiàn)，但在模擬畫面里被放大到可以看清內(nèi)部的一切：蛋白質(zhì)、RNA、核糖體密密麻麻地?cái)D在一起。一條環(huán)形染色體蜷縮在中央，正在被復(fù)制。

到第 65 分鐘前后，細(xì)胞開始變形，腰部收窄，拉成啞鈴的形狀。第 105 分鐘，兩個(gè)子細(xì)胞徹底分開，各自帶走了一套完整的染色體，以及大約一半的核糖體、蛋白質(zhì)和 RNA。

（來(lái)源：Youtube）

這看起來(lái)是不是像一段手搓的虛擬 3D 動(dòng)畫？但它不是，它是兩塊 GPU 跑了 6 天的計(jì)算結(jié)果，里面每一個(gè)分子的每一步移動(dòng)，都是計(jì)算機(jī)算出來(lái)的。

2026 年 3 月，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）化學(xué)系教授 Zaida Luthey-Schulten 領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊上發(fā)表了這項(xiàng)工作。他們構(gòu)建了一個(gè)四維全細(xì)胞模型（4DWCM，即三維空間加時(shí)間維度），完整模擬了已知基因組最小的自由生活細(xì)菌 JCVI-syn3A 從"出生"到一分為二的整個(gè)生命周期——大約 105 分鐘。這是人類第一次在計(jì)算機(jī)中讓一個(gè)細(xì)胞"活"過(guò)完整的一生，而且每一步都符合真實(shí)的生物物理規(guī)律。

圖 | 團(tuán)隊(duì)合影（來(lái)源：UIUC）

實(shí)驗(yàn)的天選細(xì)胞——JCVI-syn3A

要在電腦里模擬一個(gè)活細(xì)胞，是一項(xiàng)面臨生物復(fù)雜性挑戰(zhàn)的工作，所以首先要選擇一個(gè)足夠簡(jiǎn)單的對(duì)象。而 JCVI-syn3A 正是這樣的存在。

它的前身可以追溯到 2010 年。那一年，J. Craig Venter 研究所（JCVI）合成了第一個(gè)完全由人工基因組驅(qū)動(dòng)的細(xì)菌細(xì)胞 JCVI-syn1.0，基因組約 108 萬(wàn)堿基對(duì)、901 個(gè)基因。

2016 年，團(tuán)隊(duì)將基因組精簡(jiǎn)到 47.3 萬(wàn)堿基對(duì)、473 個(gè)基因，造出了 JCVI-syn3.0。它是已知自主復(fù)制生物中最小的基因組（據(jù) Hutchison 等人 2016 年發(fā)表于《Science》的論文）。

但 syn3.0 有一個(gè)極大的缺陷：它不能正常分裂，細(xì)胞形態(tài)混亂。一直到 2021 年，JCVI 的 Pelletier 等人在 Cell 報(bào)道，通過(guò)加回 7 個(gè)基因（其中 5 個(gè)此前功能未知），這才得到了 JCVI-syn3A：493 個(gè)基因，倍增時(shí)間約 105 分鐘，能規(guī)律地球形生長(zhǎng)并對(duì)稱分裂。

493 個(gè)基因是什么概念？大腸桿菌有大約 4,300 個(gè)基因，人類細(xì)胞有大約 2 萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。Syn3A 可以說(shuō)是自然界中能獨(dú)立存活的“最低配置”。正因?yàn)樽銐蚝?jiǎn)單，它成了全細(xì)胞建模的理想試驗(yàn)場(chǎng)。

從“攪拌均勻”到真正的三維空間

Luthey-Schulten 團(tuán)隊(duì)并非第一次做全細(xì)胞模型。2022 年，他們就在 Cell 上發(fā)表了 Syn3A 的“攪拌均勻”（well-stirred）模型，即把細(xì)胞當(dāng)作一個(gè)均勻混合的反應(yīng)器，用隨機(jī)-確定性混合動(dòng)力學(xué)模擬基因表達(dá)、代謝和生長(zhǎng)。那個(gè)模型已經(jīng)能預(yù)測(cè)出與實(shí)驗(yàn)吻合的倍增時(shí)間和蛋白質(zhì)分布。

但問(wèn)題在于，細(xì)胞不是試管。RNA 聚合酶得在三維空間中擴(kuò)散、找到 DNA 上的啟動(dòng)子才能開始轉(zhuǎn)錄；負(fù)責(zé)降解 mRNA 的降解體（degradosome）被限制在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)；核糖體有約 20 納米的體積，會(huì)擠占周圍的空間。這些空間效應(yīng)，在均勻攪拌的假設(shè)下全部被忽略了。

這次的 4DWCM 對(duì)這個(gè)局限實(shí)現(xiàn)了全面突破。模型把細(xì)胞的三維空間切成了 10 納米邊長(zhǎng)的立方格點(diǎn)，所有蛋白質(zhì)和 RNA 都在格點(diǎn)上擴(kuò)散、碰撞、反應(yīng)……每一個(gè)分子都是獨(dú)立追蹤的粒子。這種空間上的異質(zhì)性，使分子間的相遇與反應(yīng)更貼近真實(shí)細(xì)胞內(nèi)的擁擠環(huán)境，也自然呈現(xiàn)出生命過(guò)程固有的隨機(jī)特征。

（來(lái)源：論文）

四種計(jì)算方法結(jié)合

不過(guò)要模擬一個(gè)細(xì)胞的全部過(guò)程，沒(méi)有哪一種計(jì)算方法能獨(dú)自勝任。因此團(tuán)隊(duì)的做法是把四種不同的模擬方法組裝成一個(gè)混合框架：空間中的反應(yīng)和擴(kuò)散用 RDME（Reaction-Diffusion Master Equation，反應(yīng)-擴(kuò)散主方程）處理；全局的轉(zhuǎn)錄和 tRNA 裝載等反應(yīng)用 CME（Chemical Master Equation，化學(xué)主方程）做隨機(jī)模擬；糖酵解、核苷酸合成等代謝網(wǎng)絡(luò)用 ODE（Ordinary Differential Equations，常微分方程）求解；染色體的物理行為：聚合物運(yùn)動(dòng)、DNA 復(fù)制、蛋白驅(qū)動(dòng)的環(huán)擠出，則用布朗動(dòng)力學(xué)（Brownian Dynamics）在第二塊 GPU 上并行模擬。

（來(lái)源：論文）

四種方法通過(guò)一個(gè)通信算法每隔 12.5 毫秒同步一次數(shù)據(jù)。模擬一個(gè)完整細(xì)胞周期需要 4 到 6 天的實(shí)際計(jì)算時(shí)間。論文中報(bào)告的 50 個(gè)重復(fù)細(xì)胞模擬，總共消耗約 15,000 GPU 小時(shí)，全部運(yùn)行在 NVIDIA A100 上。據(jù) UIUC 新聞稿，團(tuán)隊(duì)使用的是國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心的 Delta 超算系統(tǒng)。

那么通過(guò)這樣的方法“焊接”，最后模擬結(jié)果有多準(zhǔn)？

最直接的驗(yàn)證是倍增時(shí)間：模擬細(xì)胞平均 105 分鐘完成膜面積倍增，與實(shí)驗(yàn)值完全一致。DNA 復(fù)制平均耗時(shí) 51 分鐘。

更精細(xì)的驗(yàn)證來(lái)自 ori:ter 比，即染色體復(fù)制起點(diǎn)與終點(diǎn)的測(cè)序覆蓋深度之比，反映群體中 DNA 復(fù)制的平均進(jìn)度。模擬預(yù)測(cè)值為 1.28，團(tuán)隊(duì)自己做的全基因組測(cè)序?qū)崪y(cè)值為 1.21，高度吻合。這意味著模型不僅恢復(fù)了正確的總時(shí)間，連 DNA 復(fù)制的節(jié)奏也基本對(duì)了。

模型還預(yù)測(cè)了分裂時(shí)刻細(xì)胞的分子組成：約 881 個(gè)核糖體、176 個(gè) RNA 聚合酶、192 個(gè)降解體。約 55% 的核糖體和 70% 的 RNA 聚合酶在任意時(shí)刻處于活躍狀態(tài)。mRNA 的平均半衰期約 3.6 分鐘，落在已知細(xì)菌的觀測(cè)范圍內(nèi)。這些數(shù)字過(guò)去需要分別設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)去測(cè)量，現(xiàn)在從一次模擬中同時(shí)產(chǎn)出。

此外，4D 模型最有價(jià)值的地方，不是重復(fù)已有結(jié)果，而是揭示了空間效應(yīng)對(duì)細(xì)胞行為的實(shí)質(zhì)影響。

一個(gè)典型例子：DNA 復(fù)制的啟動(dòng)蛋白 DnaA 需要在三維空間中擴(kuò)散到染色體的復(fù)制起點(diǎn)上，才能觸發(fā)復(fù)制。團(tuán)隊(duì)最初使用的結(jié)合速率參數(shù)在 well-stirred 模型中工作正常，但在 4D 模型中，12 個(gè)測(cè)試細(xì)胞在 60 分鐘內(nèi)無(wú)一啟動(dòng)復(fù)制，因?yàn)?DnaA 必須“真的走過(guò)去”才行。換用了結(jié)合力更強(qiáng)的參數(shù)后，復(fù)制才正常啟動(dòng)。在均勻攪拌假設(shè)下好用的參數(shù)，放到三維空間中可能就不夠了。

另一個(gè)發(fā)現(xiàn)涉及細(xì)胞分裂后的分子分配。核糖體、膜蛋白等的分配大致隨機(jī)，兩個(gè)子細(xì)胞之間沒(méi)有系統(tǒng)性偏差。但降解體出現(xiàn)了有趣的偏斜：當(dāng)大塊 DNA 被擠向細(xì)胞一側(cè)時(shí)，DNA 占據(jù)的空間會(huì)排斥附近的降解體，導(dǎo)致那一側(cè)降解體偏少。這種空間擁擠導(dǎo)致的不均勻分配，是把細(xì)胞當(dāng)試管的模型永遠(yuǎn)看不到的。

不過(guò)，實(shí)驗(yàn)也存在其局限性。最突出的一個(gè)：染色體分離靠的是人工施加的排斥力。Syn3A 基因組中找不到已知的染色體分離系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)不得不用外力“推開”兩條子代染色體。論文承認(rèn)這是一個(gè)限制，初步探索顯示更精細(xì)的蛋白模型可能有潛力替代，但計(jì)算成本太高，可能把單個(gè)細(xì)胞的模擬時(shí)間從 6 天拉到數(shù)周。

其他局限還包括：沒(méi)有處理多個(gè)基因共轉(zhuǎn)錄的情況；缺少多核糖體效應(yīng)（多個(gè)核糖體同時(shí)翻譯一條 mRNA），導(dǎo)致長(zhǎng)蛋白質(zhì)產(chǎn)量偏低；代謝中某些核苷酸的濃度偏低，可能缺少反饋抑制機(jī)制。團(tuán)隊(duì)也列出了下一步最需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：Syn3A 的定量代謝組學(xué)、全基因組 mRNA 半衰期、蛋白質(zhì)半衰期、以及長(zhǎng)讀長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)。

全細(xì)胞建模的一個(gè)臺(tái)階

此次的研究還帶領(lǐng)全細(xì)胞建模走上了一個(gè)新臺(tái)階。

此前最有影響力的全細(xì)胞動(dòng)力學(xué)模型是 2012 年的生殖支原體模型（Karr 等，Cell）和 2020 年的大腸桿菌模型（Macklin 等，Science），將細(xì)胞內(nèi)部視為均勻混合體系，未納入空間維度的影響。

而本次針對(duì) Syn3A 構(gòu)建的 4DWCM 框架，首次實(shí)現(xiàn)了空間分辨率、反應(yīng)隨機(jī)性與完整細(xì)胞周期三者的同步整合，使模型能夠更真實(shí)地反映分子在細(xì)胞內(nèi)的定位、擴(kuò)散與相互作用過(guò)程。不過(guò)背后的代價(jià)是巨大的算力消耗。

團(tuán)隊(duì)指出，未來(lái)兩種模型應(yīng)該形成互補(bǔ)：用 4D 模型校準(zhǔn)參數(shù)，再用 well-stirred 模型做大規(guī)模采樣。這種分層建模策略，有望在保持物理真實(shí)性的同時(shí)，提升全細(xì)胞模擬的實(shí)用性與可擴(kuò)展性。

1.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00174-1

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍