科學家在電腦中養(yǎng)活細胞：從出生到分裂，它走完了105分鐘的一生

屏幕上，一個細胞正在慢慢變大。它只有幾百納米寬，肉眼完全不可見，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、核糖體密密麻麻地擠在一起。一條環(huán)形染色體蜷縮在中央，正在被復制。

到第 65 分鐘前后，細胞開始變形，腰部收窄，拉成啞鈴的形狀。第 105 分鐘，兩個子細胞徹底分開，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。

（來源：Youtube）

這看起來是不是像一段手搓的虛擬 3D 動畫？但它不是，它是兩塊 GPU 跑了 6 天的計算結(jié)果，里面每一個分子的每一步移動，都是計算機算出來的。

2026 年 3 月，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）化學系教授 Zaida Luthey-Schulten 領(lǐng)銜的團隊在 Cell 期刊上發(fā)表了這項工作。他們構(gòu)建了一個四維全細胞模型（4DWCM，即三維空間加時間維度），完整模擬了已知基因組最小的自由生活細菌 JCVI-syn3A 從"出生"到一分為二的整個生命周期——大約 105 分鐘。這是人類第一次在計算機中讓一個細胞"活"過完整的一生，而且每一步都符合真實的生物物理規(guī)律。

圖 | 團隊合影（來源：UIUC）

實驗的天選細胞——JCVI-syn3A

要在電腦里模擬一個活細胞，是一項面臨生物復雜性挑戰(zhàn)的工作，所以首先要選擇一個足夠簡單的對象。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）合成了第一個完全由人工基因組驅(qū)動的細菌細胞 JCVI-syn1.0，基因組約 108 萬堿基對、901 個基因。

2016 年，團隊將基因組精簡到 47.3 萬堿基對、473 個基因，造出了 JCVI-syn3.0。它是已知自主復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 有一個極大的缺陷：它不能正常分裂，細胞形態(tài)混亂。一直到 2021 年，JCVI 的 Pelletier 等人在 Cell 報道，通過加回 7 個基因（其中 5 個此前功能未知），這才得到了 JCVI-syn3A：493 個基因，倍增時間約 105 分鐘，能規(guī)律地球形生長并對稱分裂。

493 個基因是什么概念？大腸桿菌有大約 4,300 個基因，人類細胞有大約 2 萬個蛋白質(zhì)編碼基因。Syn3A 可以說是自然界中能獨立存活的“最低配置”。正因為足夠簡單，它成了全細胞建模的理想試驗場。

從“攪拌均勻”到真正的三維空間

Luthey-Schulten 團隊并非第一次做全細胞模型。2022 年，他們就在 Cell 上發(fā)表了 Syn3A 的“攪拌均勻”（well-stirred）模型，即把細胞當作一個均勻混合的反應(yīng)器，用隨機-確定性混合動力學模擬基因表達、代謝和生長。那個模型已經(jīng)能預測出與實驗吻合的倍增時間和蛋白質(zhì)分布。

但問題在于，細胞不是試管。RNA 聚合酶得在三維空間中擴散、找到 DNA 上的啟動子才能開始轉(zhuǎn)錄；負責降解 mRNA 的降解體（degradosome）被限制在細胞膜內(nèi)側(cè)；核糖體有約 20 納米的體積，會擠占周圍的空間。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 對這個局限實現(xiàn)了全面突破。模型把細胞的三維空間切成了 10 納米邊長的立方格點，所有蛋白質(zhì)和 RNA 都在格點上擴散、碰撞、反應(yīng)……每一個分子都是獨立追蹤的粒子。這種空間上的異質(zhì)性，使分子間的相遇與反應(yīng)更貼近真實細胞內(nèi)的擁擠環(huán)境，也自然呈現(xiàn)出生命過程固有的隨機特征。

（來源：論文）

四種計算方法結(jié)合

不過要模擬一個細胞的全部過程，沒有哪一種計算方法能獨自勝任。因此團隊的做法是把四種不同的模擬方法組裝成一個混合框架：空間中的反應(yīng)和擴散用 RDME（Reaction-Diffusion Master Equation，反應(yīng)-擴散主方程）處理；全局的轉(zhuǎn)錄和 tRNA 裝載等反應(yīng)用 CME（Chemical Master Equation，化學主方程）做隨機模擬；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：聚合物運動、DNA 復制、蛋白驅(qū)動的環(huán)擠出，則用布朗動力學（Brownian Dynamics）在第二塊 GPU 上并行模擬。

（來源：論文）

四種方法通過一個通信算法每隔 12.5 毫秒同步一次數(shù)據(jù)。模擬一個完整細胞周期需要 4 到 6 天的實際計算時間。論文中報告的 50 個重復細胞模擬，總共消耗約 15,000 GPU 小時，全部運行在 NVIDIA A100 上。據(jù) UIUC 新聞稿，團隊使用的是國家超級計算應(yīng)用中心的 Delta 超算系統(tǒng)。

那么通過這樣的方法“焊接”，最后模擬結(jié)果有多準？

最直接的驗證是倍增時間：模擬細胞平均 105 分鐘完成膜面積倍增，與實驗值完全一致。DNA 復制平均耗時 51 分鐘。

更精細的驗證來自 ori:ter 比，即染色體復制起點與終點的測序覆蓋深度之比，反映群體中 DNA 復制的平均進度。模擬預測值為 1.28，團隊自己做的全基因組測序?qū)崪y值為 1.21，高度吻合。這意味著模型不僅恢復了正確的總時間，連 DNA 復制的節(jié)奏也基本對了。

模型還預測了分裂時刻細胞的分子組成：約 881 個核糖體、176 個 RNA 聚合酶、192 個降解體。約 55% 的核糖體和 70% 的 RNA 聚合酶在任意時刻處于活躍狀態(tài)。mRNA 的平均半衰期約 3.6 分鐘，落在已知細菌的觀測范圍內(nèi)。這些數(shù)字過去需要分別設(shè)計不同實驗去測量，現(xiàn)在從一次模擬中同時產(chǎn)出。

此外，4D 模型最有價值的地方，不是重復已有結(jié)果，而是揭示了空間效應(yīng)對細胞行為的實質(zhì)影響。

一個典型例子：DNA 復制的啟動蛋白 DnaA 需要在三維空間中擴散到染色體的復制起點上，才能觸發(fā)復制。團隊最初使用的結(jié)合速率參數(shù)在 well-stirred 模型中工作正常，但在 4D 模型中，12 個測試細胞在 60 分鐘內(nèi)無一啟動復制，因為 DnaA 必須“真的走過去”才行。換用了結(jié)合力更強的參數(shù)后，復制才正常啟動。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。

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

不過，實驗也存在其局限性。最突出的一個：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)，團隊不得不用外力“推開”兩條子代染色體。論文承認這是一個限制，初步探索顯示更精細的蛋白模型可能有潛力替代，但計算成本太高，可能把單個細胞的模擬時間從 6 天拉到數(shù)周。

其他局限還包括：沒有處理多個基因共轉(zhuǎn)錄的情況；缺少多核糖體效應(yīng)（多個核糖體同時翻譯一條 mRNA），導致長蛋白質(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制。團隊也列出了下一步最需要的實驗數(shù)據(jù)：Syn3A 的定量代謝組學、全基因組 mRNA 半衰期、蛋白質(zhì)半衰期、以及長讀長轉(zhuǎn)錄組學。

全細胞建模的一個臺階

此次的研究還帶領(lǐng)全細胞建模走上了一個新臺階。

此前最有影響力的全細胞動力學模型是 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 Syn3A 構(gòu)建的 4DWCM 框架，首次實現(xiàn)了空間分辨率、反應(yīng)隨機性與完整細胞周期三者的同步整合，使模型能夠更真實地反映分子在細胞內(nèi)的定位、擴散與相互作用過程。不過背后的代價是巨大的算力消耗。

團隊指出，未來兩種模型應(yīng)該形成互補：用 4D 模型校準參數(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性的同時，提升全細胞模擬的實用性與可擴展性。

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

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