Те «капли», которые Вы видите на нижеприведенном снимке, являются бактериями-паразитами Mycoplasma genitalium, которые живут в организме некоторых людей. Ученые из Стэнфордского университета и Института Дж. Крэйга Вентера (J. Craig Venter Institute) создали компьютерную математическую модель этого микроскопического «монстра», которая является первой математической моделью, описывающей полностью все аспекты живого организма, и позволяющей виртуальному микроорганизму жить и размножаться внутри компьютера (кое-что мы уже об этом писали).

Несмотря на небольшие размеры и биологическую простоту микроорганизма Mycoplasma genitalium, он все еще является достаточно сложным биологическим объектом. Каждые из 525 генов бактерии отвечает за взаимодействия ДНК, РНК, белков, метаболитов и 24 других уникальных видов органических молекул. Само по себе изучение взаимодействия всех этих материалов является сложнейшей и монументальной научной задачей. Созданная математическая модель охватывает не только взаимодействия между составными частями микроорганизма, включая каждый ген и его функцию, она моделирует весь жизненный цикл его существования.

Рис. 1. Те самые бактерии-монстры – Mycoplasma genitalium.

Причиной создания такой сложной математической модели является необходимость подробного изучения процессов, происходящих в живых организмах на самом низком уровне. Впоследствии это станет основой новых методов диагностики и лечения заболеваний различного рода. Так же как архитекторы и инженеры-конструкторы анализируют конструкции зданий, самолетов и машин на компьютере, прежде чем воплотить их в реальности, ученые-биологи с помощью систем «био-CAD», смогут проводить предварительные биологические эксперименты внутри компьютера на высокой скорости. Это позволит наладить серийное производство сложных фармацевтических препаратов и создать синтетические формы жизни, выполняющие определенные функции.

Рис. 2.

Созданная математическая модель реализована на известной математической платформе MATLAB. Кластеру, работающему под управлением операционной системы Linux и имеющему 128 высокопроизводительных вычислительных ядер, потребовалось 10 часов времени, что бы добраться до момента, когда моделируемый организм M. Genitalium дошел до точки его размножения делением. Это показывает то, что математическая модель работает практически в режиме реального времени, так как настоящим микроорганизмам M. Genitalium также требуется около 10 часов, что бы дойти до конца своего жизненного цикла.

Следующим шагом ученых будет попытка создания модели более сложного микроорганизма. Но для расчета такой модели вычислительной мощности обычного компьютера может уже быть недостаточно, к примеру, более сложный и более полезный с научной точки зрения микроорганизм вида E. Coli имеет 4288 генов и делится каждые 30 минут, что указывает на более быстрые и более сложные молекулярные взаимодействия.

К счастью, вычислительные мощности в последнее время стремительно дешевеют, поэтому аппаратные средства, которые позволят выполнить моделирование сложных микроорганизмов, можно приобрести за разумные деньги. Этот факт может стать тем, что математическое моделирование организмов становится доступным все большему кругу ученых и имеет потенциал стать основой медицины следующего поколения.