模拟活细胞

作者：张馨予

　　在建立第一个完整的单细胞生物计算机模型后，生物学家打算利用这个强大的新工具，来厘清生命的运作机制。

　　2008年的情人节，当我轻松骑着脚踏车下班回家时，脑海内浮现了一个重要的灵感。我一边骑着脚踏车，一边想着已在我研究领域发展10多年、让我深思已久的问题：计算机程序是否可用来模拟生命？这种模型应包含所有让生命运作、奇妙神秘又复杂到令人抓狂的生物化学机制。

　　即使是粗略简单的活细胞计算机模型，都是有用的工具。生物研究人员在投入时间和经费进行真正的实验之前，可以先用模型测试他们的想法。例如药物研发人员可以用它来筛选对细菌抑制能力最强的分子，加速新抗生素的开发；而包括我在内的生物工程学家，也可选殖并剪接虚拟微生物的基因，来设计具有特别性状的菌株，像是感染特定病毒后会发出荧光，或能从石油中萃取氢气的细菌，却不需面对改变真正微生物会有的风险。未来当我们学会设计精密度足以仿真人类活细胞的模型时，这些工具将会改变医学研究的方式，研究人员则能进行目前因为无法培养而进行不了的人类细胞研究。

　　然而细胞内的化学反应和物理关联盘根错节，在没有办法厘清活细胞运作所需的机制之前，那些尝试就像是白日梦。我和其他实验室的研究人员都曾遭遇阻碍，有些甚至已澈底失败。

　　然而在校园里踩着脚踏车的那个冬夜，我想着最近拍摄单一细胞照片和影片的工作，突然灵光一闪，脑中浮现了一个建立具有真实功能模型的方法：我们可以选择已知最简单的单细胞微生物：生殖道霉浆菌(Mycoplasma genitalium)，用单一细菌来建立模型。把模拟生物限制于一个细胞，可以简化问题。

　　原则上，我们可纳入我们所有的细胞生物学知识，从而解开双股螺旋DNA的每一个阶梯：把每一个DNA讯息转录成RNA、用RNA指令来合成每个酵素和其他种类的蛋白质，还有这些分子和其他众多分子之间的交互作用，以上种种活动全都是为了让细胞生长、分裂成两个子细胞。这个模型几乎全用第一原理计算的程序来建立单细胞的整个生命历程。

　　由于过去我们在收集细胞的行为资料时，获得的皆为群体数据，使我们总是想尝试模拟整群细胞，而非单一细胞。然而巴西vs瑞士让球和计算机信息科技日新月异，现在单细胞研究变得容易多了，我意识到如今我们可以采用既有的工具来尝试不同的方法。

　　各种主意在我脑海盘旋，一回到家，我立刻写下仿真模型的计划。第二天早上，就从微生物许多独特的机制，选取了几个来开始编写程序。不到一星期，我已完成几个模块原型，每套模块程序都代表了特定的细胞机制，这些模块输出的结果看起来相当接近真实的情况。

　　我把这些程序展示给几位生物学家看，他们大多觉得我疯了，但我觉得我触及了一些重要的东西。我有两名勇敢又杰出的研究生：卡尔(Jonathan R. Karr)和山格维(Jayodita C. Sanghvi)，他们看到这个方法的潜力，愿意和我一起进行这个计划。

　　要完成模型，意味着我们必须建立几十个这样的模块，浏览将近1000篇生物化学数据的科学文献，利用那些数值来限制并调整数千个参数，像是酵素与它目标分子的结合紧密度，或是读取DNA的蛋白质多常会相碰撞而脱离双股螺旋。我怀疑即使有最认真的同事和研究生的帮助，这项计划仍需要数年，但我有预感，最后应该会成功。我们无法确知结果，唯有放手一搏！(文章摘编自台湾《科学人》杂志撰文／柯维特(Markus W. Covert)翻译／涂可欣)