Computergestützte menschliche Zelle enthüllt neue Erkenntnisse über die Verarbeitung genetischer Information

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Die menschliche Zelle mit Computern zeigt neue Erkenntnisse über die Verarbeitung genetischer Informationen

Forscher haben das erste Rechenmodell einer menschlichen Zelle entwickelt und ihr Verhalten für 15 Minuten simuliert – die längste Zeit, die für ein biologisches System dieser Komplexität erreicht wird. In einer neuen Studie zeigen Simulationen die Auswirkungen der räumlichen Organisation innerhalb von Zellen auf einige der genetischen Prozesse, die die Regulierung und Entwicklung menschlicher Eigenschaften und einiger menschlicher Krankheiten steuern.

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Die Studie, aus der eine neue, für jeden Forscher zugängliche Berechnungsplattform hervorging, wird in der Zeitschrift PLOS Computational Biology veröffentlicht.

“Dies ist das erste Programm, das es Forschern ermöglicht, eine virtuelle menschliche Zelle aufzubauen und chemische Reaktionen und Geometrien zu verändern, um zelluläre Prozesse in Echtzeit zu beobachten”, sagte Zhaleh Ghaemi, ein Forscher an der University of Illinois at Urbana-Champaign und Hauptautor der Studie.

Die Gruppe unter der Leitung von U. von I. Chemieprofessorin Zaida Luthey-Schulten beschäftigt sich mit der Frage, wie sich die Bewegung einzelner Moleküle um die vielen Hindernisse herum auf die chemischen Reaktionen im Inneren von Zellen auswirkt.

Um das neue Modell zu testen, führte das Team Simulationen eines Prozesses namens RNA-Splicing durch, der zu den komplexesten zellulären Prozessen gehört und ein Markenzeichen der menschlichen Zellbiologie ist, so die Forscher.

“Das RNA-Splicing verändert die Boten-RNA-Moleküle, die die Informationen tragen, die von der DNA zur Bildung von Proteinen benötigt werden”, so Ghaemi. Der Prozess verwendet eine komplexe zelluläre Maschine – das so genannte Spleißosom -, die den Handel mit Vorläufer- und reifen Komponenten um die stark abgeschotteten Teile einer Zelle herum erfordert. Damit ist das RNA-Splicing ideal, um zu untersuchen, wie sich die räumliche Anordnung auf die verschiedenen chemischen Reaktionen in den Zellen auswirkt”.

Die neuen Simulationen ergaben eine Begründung dafür, warum Vorläufer des Spleißosoms sich zwischen dem Kern- und Zytoplasma-Kompartiment bewegen, sagten die Forscher.

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