你想知道未出生的寶寶什么樣嗎?把這個(gè)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(gè)可能的虛擬受精卵細(xì)胞，然后鍵入一些子宮環(huán)境參數(shù)，這些細(xì)胞在不同的條件下分裂繁殖，最后在電腦上發(fā)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(dāng)然，虛擬細(xì)胞的研究將讓你實(shí)現(xiàn)更多的夢(mèng)想。

▲虛擬細(xì)胞時(shí)代將來臨

對(duì)于人類基因組計(jì)劃我們已經(jīng)很熟悉了，要得出完整的人類生命分子基礎(chǔ)手冊(cè)，組織和分析如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)是人類基因組計(jì)劃實(shí)施過程中面臨的最具挑戰(zhàn)性的工作之一。可喜的是，計(jì)算生物學(xué)作為一門很有前景的學(xué)科將致力于利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜生物系統(tǒng)進(jìn)行精確的模擬。

或許，計(jì)算生物學(xué)中最艱巨的目標(biāo)就要算建立“虛擬細(xì)胞”了。盡管現(xiàn)在這只是一種可能性，但如果能對(duì)整個(gè)細(xì)胞進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)模擬，無論是長期還是短期，都將產(chǎn)生巨大的效益。從短期來說，虛擬細(xì)胞可用于設(shè)計(jì)新的藥物和治療方法。人們可以利用模擬技術(shù)測(cè)試不同的治療方法，以發(fā)現(xiàn)最佳方案，并研究每種方案可能產(chǎn)生的副反應(yīng)。從長期來說，虛擬細(xì)胞可被用于設(shè)計(jì)更好的生物學(xué)系統(tǒng)，甚至創(chuàng)造全新的系統(tǒng)。科幻小說中有很多很好的關(guān)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(xì)菌，到在不利環(huán)境中仍能頑強(qiáng)生存的工程改造植物和動(dòng)物。另外，模擬技術(shù)還可用于測(cè)試不同的變異，以找出表現(xiàn)最好的那些生物性狀。

但是，實(shí)際上我們離構(gòu)建出虛擬細(xì)胞還相去甚遠(yuǎn)。前面的道路漫長而艱難。然而，一些頂尖科學(xué)家正在討論，少數(shù)人甚至已經(jīng)開始嘗試，基礎(chǔ)工作也已經(jīng)展開了。

▲模擬生化反應(yīng)

創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬的細(xì)胞是一個(gè)很復(fù)雜的過程，這種模擬不僅要考慮到組成細(xì)胞的所有分子及其參與的化學(xué)反應(yīng)，還要考慮到調(diào)控細(xì)胞分子活動(dòng)的各種方法。

模擬生化反應(yīng)的最早嘗試在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后不久就開始了。20世紀(jì)80年代早期，美國威斯康星大學(xué)的卡爾·佛來登等人開發(fā)了KINSIM程序，這是一個(gè)重大的突破。KINSIM對(duì)模擬生化反應(yīng)非常有效，以至于它的后續(xù)版本一直被廣泛使用著。

我們來看一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬病毒感染的例子。在病毒感染過程中，病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，其基因開始生產(chǎn)病毒蛋白質(zhì)。這些病毒的蛋白質(zhì)霸占了宿主細(xì)胞.將其轉(zhuǎn)變成一個(gè)病毒加工廠。最近，美國生物學(xué)家德魯·安迪領(lǐng)導(dǎo)的小組用計(jì)算機(jī)模擬了一個(gè)稱為T7的病毒。現(xiàn)在人們已經(jīng)充分了解了它的機(jī)理，它只感染細(xì)菌的細(xì)胞，這使其成為計(jì)算機(jī)模擬的理想對(duì)象。該小組模擬出了24個(gè)病毒基因。最終，研究人員可以模擬出產(chǎn)生數(shù)百個(gè)新病毒所需的時(shí)間。這項(xiàng)工作的目的是要對(duì)抗病毒方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。科學(xué)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(fù)制。病毒的哪一個(gè)基因的復(fù)制過程最適合被阻斷呢?安迪的小組用模擬的T7病毒來測(cè)試不同的方案。他們分別阻斷每一個(gè)基因的復(fù)制過程，然后模擬需要多長時(shí)間才能產(chǎn)生出新病毒。他們發(fā)現(xiàn)，與預(yù)想的相反，阻斷某些基因的復(fù)制反而加速了T7病毒感染。通過計(jì)算機(jī)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(hù)性蛋白質(zhì)膜編碼基因的復(fù)制。

盡管模擬生化反應(yīng)的研究已經(jīng)取得一些重要的成就，但它們都是高度簡化的細(xì)胞虛擬過程，這離模擬整個(gè)細(xì)胞還差得遠(yuǎn)呢。

▲制造真正的虛擬細(xì)胞

實(shí)現(xiàn)虛擬細(xì)胞有兩個(gè)主要障礙。一是缺乏軟件工具來對(duì)整個(gè)細(xì)胞進(jìn)行模擬，二是缺乏細(xì)胞內(nèi)數(shù)以千計(jì)的生物分子的詳細(xì)信息。那么，科學(xué)家怎樣克服這兩個(gè)障礙呢?

在過去幾年中.人們?yōu)槟M細(xì)胞開發(fā)出了一些軟件包，其中很重要的一個(gè)軟件是“電子細(xì)胞”。它是由日本的一個(gè)研究小組開發(fā)的。該小組已經(jīng)用“電子細(xì)胞”程序?qū)σ粋€(gè)細(xì)菌細(xì)胞做了高度簡化的模擬。

這只是很簡單的細(xì)胞模擬，這個(gè)細(xì)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(jì)劃擴(kuò)展虛擬細(xì)胞的功能，使它有繁殖的能力。他們還計(jì)劃加入更多的生化過程。但是.即使這個(gè)虛擬細(xì)胞完成了，它也遠(yuǎn)沒有達(dá)到哺乳動(dòng)物細(xì)胞的水平。它只有大約500個(gè)基因，而哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的基因數(shù)量是它的100多倍。

要構(gòu)建一個(gè)哪怕特別簡單的虛擬細(xì)胞，我們也要了解細(xì)胞中每個(gè)分子的位置，它與誰發(fā)生反應(yīng)，以及每個(gè)分子的功能。最近，研究人員建造了幾個(gè)數(shù)據(jù)庫來收集這類信息。其中，最完備的數(shù)據(jù)庫就是日本科學(xué)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(fèi)的網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫，它建于1995年5月，由日本政府資助。

1994年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者阿爾佛雷德·吉爾曼在2000年創(chuàng)立了細(xì)胞信號(hào)聯(lián)盟(AFCS)。AFCS的最終目標(biāo)是找出哺乳動(dòng)物細(xì)胞中所有的信號(hào)聯(lián)系方式.該計(jì)劃將在美國幾個(gè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共同進(jìn)行。

AFCS選擇了兩種小鼠細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)：B細(xì)胞和心肌細(xì)胞。B細(xì)胞是免疫系統(tǒng)的一種重要組成部分。它在血液中處于休眠狀態(tài)，在免疫反應(yīng)中被激活。然后，B細(xì)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(xì)胞，是因?yàn)樗鼈兣c人類細(xì)胞具有很大的相似性。AFCS希望通過研究一種以上的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)它們之間重要的相似性和不同點(diǎn)。

人們預(yù)計(jì)完成AFCS計(jì)劃需要10年時(shí)間。在前5年，主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集。后5年重點(diǎn)將是在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬細(xì)胞.并測(cè)試和改進(jìn)。美國國立衛(wèi)生研究院是生物醫(yī)學(xué)研究最主要的資助者.投資者對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的研究和應(yīng)用前景十分樂觀。

如果研究虛擬細(xì)胞的這些計(jì)劃取得成功，通過虛擬細(xì)胞的培養(yǎng)，科學(xué)家很快就能對(duì)現(xiàn)實(shí)細(xì)胞進(jìn)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(shè)計(jì)生物系統(tǒng)，也更容易將科學(xué)幻想轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)現(xiàn)實(shí)。