从海洋深处的各种怪异微生物到他们身体内的病菌，地球上的大部份心灵都是由细胞核共同组成的。不过，他们那时对于这些细胞核中的心灵操作过程只有较为单纯的了解。
近日，根据一则发表于《细胞核》的文章，来自宾夕法尼亚大学厄普兰·香槟酒附属小学的两个项目组实现了迄今为止最完备的活细胞核计算机控制系统演示。透过而此演示，遗传学家们得以突破限制，从而加速探索心灵基本上单位的运行规律。
“想象一下，他们那时能从一项计算机控制系统演示中获得许多过往需要展开许多试验才能得到的结果。”学术论文的现职作者Zaida (Zan) Luthey-Schulten说到，她也是此次演示试验的领导人。凭借此次的演示，科学研究组成员对他们所可视化的细胞核的生物学和细胞核周期有了惊人发现，同时，他们也认为此次的演示将催生进一步试验的思路。
“这是他们第一次能对整座繁杂控制系统的代谢展开精巧的计算科学研究——这更为重要是单纯的分子生物反应或者是在人工控制系统之中，而是在两个完备的活细胞核中。”印第安纳大学合成遗传学家兼现职教授Kate Adamala说到。多年以来，遗传学家们始终试著对整座细胞核展开演示，以准确地预测它的心灵操作过程，不过，由于绝大多数细胞核的共同组成都过于繁杂，而此目标始终都难以避免。Adamala表示“假如你不知道共同组成它（指细胞核）的LEGO乐高有什么样，你就很难创建起两个数学模型”。
与过往的科学研究不同，此次密苏里州项目组所科学研究的细胞核有着非常单纯的结构，它的DNA组比其他细胞核大得多，因而其生物学操作过程更容易被检测到，总而言之，而此特征使其从众位科学研究对象中十强。
本次科学研究的细胞核是此前在试验室锻造出来的“最轻细胞核”，它介乎心灵或非心灵之间，仅仅随身携带有限数量的DNA（其中绝大多数是生存所须要的）。透过拷贝这种单纯细胞中未知的分子生物操作过程，并且跟踪大部份的养分、废弃物、DNA产物和其它能在四维空间中移动的分子，此项演示能帮助遗传学家们更好的理解最简的心灵形式怎样维持自身，和阐明心灵的一些基本上需求。
此项科学研究是创建更繁杂和更重要的天然细胞核数学模型的基础。比如说，假如遗传学家们最终能对菌株（E.Coli）展开等同程度的演示，“那绝对会改变作法，因为他们有许多的微生物锻造都是以菌株作为车身微生物的”Adamala说到。
网络化的心灵
本次科学研究项目组所可视化的细胞核JCVI-syn3A是由J. Craig Venter科学研究所的合成遗传学家们所开发的最简细胞核（JCVI-3.0）的新版本，相关科学研究于2016年发表于《科学》杂志。JCVI-syn3A的DNA组是在丝状支原体（Mycoplasmas mycoides）的基础上展开设计的，与天然细胞核不同，改造后的细胞核去除了对心灵非必须的一些DNA。JCVI-syn3A只有493个基因，大概是其天然状态下（未经改造的丝状支原体）的一半，或者说差不多是菌株DNA的八分之一。
虽然结构很单纯，但作为两个整体，细胞核仍然是非常神秘的。例如，对于这些DNA中的94个DNA来说，除了知道细胞核没了它就会死亡以外，遗传学家们并不清楚它发挥的实际作用，总而言之，它应该存在一些“对生存至关重要的功能”，John Glass说到，他是此项新科学研究的合著者，同时也是Venter科学研究所合成微生物学组成员的负责人，和2016年开发最轻细胞核项目组的成员之一。透过此次的可视化，遗传学家们渴望快速地揭开这些未知的谜团。
为了创建此次的新数学模型，宾夕法尼亚大学的科学研究项目组在各个领域都做出了大量发现，并且成功地将它串联在了一起。他们使用最轻细胞核的快速冷冻薄切片图像来准确的定位细胞核机器；大量的蛋白质分析试验帮助他们将大部份未知的蛋白定位在细胞核内正确位置；德国德累斯顿理工大学科学研究项目组提供的细胞核膜化学成分分析方法帮助他们将分子正确的安排在细胞核表面；而细胞核微生物化学图谱则为分子间的相互作用提供了规则手册。
随着网络化细胞核的生长和分裂，数学模型中发生了数千次的演示分子生物反应，总而言之，而此操作过程阐明了每个分子的具体行为和随时间发生的变化。
演示操作过程得到的结果与活JCVI-syn3A细胞核的许多测量结果吻合。除此之外，他们也预测了许多此前在试验室中未注意到的细胞核特征，例如，细胞核怎样分配其能量预算和信使RNA分子降解的速度等等，这些都促进了科学研究人员对细胞核DNA调控的理解。
最令人惊讶的发现是关于JCVI-syn3A细胞核生长和分裂的。演示表明，为了快速分裂，细胞核需要一种被称为转醛酶的酶，但实际上，JCVI-syn3A中似乎并没有这种酶。要么细胞核已经进化出了一种新的代谢途径，让这种酶变得不那么必要，要么“细胞核中其实有这种酶，但它看上去与经典的转醛酶有所差异”，Glass说到。
目前，Glass项目组计划透过试验来寻找这种神秘的分子，同时，他们也将继续使用该数学模型展开其他方面的一些预测。例如，他们已经证实，透过添加两种非必须酶的DNA可以缩短细胞核周期时间。
剩余的未知
并非大部份的演示数据都与试验数据一致，另外，该数学模型与实际情况也还有着不小的差距，例如，他们还不知道那94个神秘DNA的未知功能。更重要的是，该数学模型还仅仅是两个微生物化学数学模型，按照Glass的说法，“为了充分了解细胞核，他们需要对细胞核的每个原子或分子的大部份力和相互作用展开可视化”。
Glass那时正在试著与斯坦福大学的化学工程学副教授Roseanna Zia达成合作，从而创建JCVI-syn3A的微生物物理数学模型，该数学模型将科学研究物理学对细胞核内相互作用的驱动作用。
尽管每个数学模型都或多或少有一些缺陷，但“他们所完成的工作确实非常困难，且他们是如此的雄心勃勃”，美国国家标准与技术科学研究所细胞核工程组成员的负责人，2016年最轻细胞核学术论文的合著者Elizabeth Strychalski说道：“他们受到的更多的是他们想象力的限制，而非他们能力的限制”。
有了足够完备的数学模型之后，科学研究人员们就能发挥他们的想象力了：他们可以看到假如修改某一分子生物途径，放入额外的分子，或者在不同的环境中展开演示会发生什么。此项演示可以让我们更深入地了解细胞核存活所需要的操作过程（和不需要的操作过程）。另外，这也许还可以帮助他们去探寻数十亿年前第一批细胞核所需要的东西。
Luthey-Schulten和她的项目组希望尽快使用该数学模型来探索有关心灵下层原理等更深层次的问题。目前而言，Luthey-Schulten正在筛选数学模型所提供的数据，她表示：“能将这个最轻的细胞核放在计算机控制系统上，让它‘活’起来以供他们科学研究就已经足够令人兴奋了”。
作者/捉蝴蝶的猫
编辑/莫十二
