虛擬細胞時代將來臨

　　你想知道未出生的寶寶什么樣嗎?把這個問題交給電腦，輸入你和你愛人的遺傳信息.電腦就可以給你生成多個可能的虛擬受精卵細胞，然后鍵入一些子宮環境參數，這些細胞在不同的條件下分裂繁殖，最后在電腦上發育成不同性別、不同相貌的寶寶。不過由于夫妻雙方遺傳信息的固定性，這些不同的虛擬嬰兒還是有很多相似之處的。當然，虛擬細胞的研究將讓你實現更多的夢想。

　　虛擬細胞時代將來臨

　　對于人類基因組計劃我們已經很熟悉了，要得出完整的人類生命分子基礎手冊，組織和分析如此大規模的數據是人類基因組計劃實施過程中面臨的最具挑戰性的工作之一。可喜的是，計算生物學作為一門很有前景的學科將致力于利用計算機對復雜生物系統進行精確的模擬。

　　或許，計算生物學中最艱巨的目標就要算建立“虛擬細胞”了。盡管現在這只是一種可能性，但如果能對整個細胞進行準確的計算機模擬，無論是長期還是短期，都將產生巨大的效益。從短期來說，虛擬細胞可用于設計新的藥物和治療方法。人們可以利用模擬技術測試不同的治療方法，以發現最佳方案，并研究每種方案可能產生的副反應。從長期來說，虛擬細胞可被用于設計更好的生物學系統，甚至創造全新的系統。科幻小說中有很多很好的關于重造生物的例子——從有助于改良土壤或生物防治的工程改造細菌，到在不利環境中仍能頑強生存的工程改造植物和動物。另外，模擬技術還可用于測試不同的變異，以找出表現最好的那些生物性狀。

　　但是，實際上我們離構建出虛擬細胞還相去甚遠。前面的道路漫長而艱難。然而，一些頂尖科學家正在討論，少數人甚至已經開始嘗試，基礎工作也已經展開了。

　　模擬生化反應

　　創建一個計算機模擬的細胞是一個很復雜的過程，這種模擬不僅要考慮到組成細胞的所有分子及其參與的化學反應，還要考慮到調控細胞分子活動的各種方法。

　　模擬生化反應的最早嘗試在計算機出現之后不久就開始了。20世紀80年代早期，美國威斯康星大學的卡爾·佛來登等人開發了KINSIM程序，這是一個重大的突破。KINSIM對模擬生化反應非常有效，以至于它的后續版本一直被廣泛使用著。

　　我們來看一個計算機模擬病毒感染的例子。在病毒感染過程中，病毒進入宿主細胞，其基因開始生產病毒蛋白質。這些病毒的蛋白質霸占了宿主細胞.將其轉變成一個病毒加工廠。最近，美國生物學家德魯·安迪領導的小組用計算機模擬了一個稱為T7的病毒。現在人們已經充分了解了它的機理，它只感染細菌的細胞，這使其成為計算機模擬的理想對象。該小組模擬出了24個病毒基因。最終，研究人員可以模擬出產生數百個新病毒所需的時間。這項工作的目的是要對抗病毒方法進行評價。科學家們一直企圖減緩病毒的感染，目前的辦法是阻斷病毒基因的復制。病毒的哪一個基因的復制過程最適合被阻斷呢?安迪的小組用模擬的T7病毒來測試不同的方案。他們分別阻斷每一個基因的復制過程，然后模擬需要多長時間才能產生出新病毒。他們發現，與預想的相反，阻斷某些基因的復制反而加速了T7病毒感染。通過計算機模擬.他們找到最有效破壞T7病毒的手段，就是阻止病毒保護性蛋白質膜編碼基因的復制。

　　盡管模擬生化反應的研究已經取得一些重要的成就，但它們都是高度簡化的細胞虛擬過程，這離模擬整個細胞還差得遠呢。

　　制造真正的虛擬細胞

　　實現虛擬細胞有兩個主要障礙。一是缺乏軟件工具來對整個細胞進行模擬，二是缺乏細胞內數以千計的生物分子的詳細信息。那么，科學家怎樣克服這兩個障礙呢?

　　在過去幾年中.人們為模擬細胞開發出了一些軟件包，其中很重要的一個軟件是“電子細胞”。它是由日本的一個研究小組開發的。該小組已經用“電子細胞”程序對一個細菌細胞做了高度簡化的模擬。

　　這只是很簡單的細胞模擬，這個細胞只能維持簡單的生存，它既不能成長，也不能分裂。下一步該小組計劃擴展虛擬細胞的功能，使它有繁殖的能力。他們還計劃加入更多的生化過程。但是.即使這個虛擬細胞完成了，它也遠沒有達到哺乳動物細胞的水平。它只有大約500個基因，而哺乳動物細胞中的基因數量是它的100多倍。

　　要構建一個哪怕特別簡單的虛擬細胞，我們也要了解細胞中每個分子的位置，它與誰發生反應，以及每個分子的功能。最近，研究人員建造了幾個數據庫來收集這類信息。其中，最完備的數據庫就是日本科學家建立的京都基因和基因組百科全書(KEGG)。KEGG包括一系列免費的網上數據庫，它建于1995年5月，由日本政府資助。

　　1994年度諾貝爾生理學或醫學獎獲得者阿爾佛雷德·吉爾曼在2000年創立了細胞信號聯盟(AFCS)。AFCS的最終目標是找出哺乳動物細胞中所有的信號聯系方式.該計劃將在美國幾個聯合實驗室共同進行。

　　AFCS選擇了兩種小鼠細胞進行檢測：B細胞和心肌細胞。B細胞是免疫系統的一種重要組成部分。它在血液中處于休眠狀態，在免疫反應中被激活。然后，B細胞將快速生長、分裂.并分泌抗體以抵御外來入侵。研究人員選擇小鼠細胞，是因為它們與人類細胞具有很大的相似性。AFCS希望通過研究一種以上的細胞，發現它們之間重要的相似性和不同點。

　　人們預計完成AFCS計劃需要10年時間。在前5年，主要任務是數據采集。后5年重點將是在這些數據的基礎上構建虛擬細胞.并測試和改進。美國國立衛生研究院是生物醫學研究最主要的資助者.投資者對這個項目的研究和應用前景十分樂觀。

　　如果研究虛擬細胞的這些計劃取得成功，通過虛擬細胞的培養，科學家很快就能對現實細胞進行改良。我們將更容易找到新藥和新的治療方法，更容易改善和重新設計生物系統，也更容易將科學幻想轉變為科學現實。