จากเซลล์เดียวสู่สองเซลล์: การจำลองกระบวนการแบ่งเซลล์อย่างละเอียดระดับโมเลกุลแบบ 4 มิติ
- 9 minutes ago
- 1 min read
เคยสงสัยไหมว่าในเซลล์มีชีวิตหนึ่งเซลล์เกิดอะไรขึ้นบ้าง นักวิจัยจากภาควิชาเคมีของ University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) ในรัฐอิลลินอยส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้สร้างการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แบบ 4 มิติที่สามารถแสดงการเคลื่อนที่และปฏิกิริยาของโมเลกุลทุกชนิดภายในเซลล์ตลอดช่วงเวลาประมาณ 105 นาทีของการแบ่งตัว เพื่อให้ได้เห็นภาพว่าในเซลล์มีชีวิตหนึ่งเซลล์เกิดอะไรขึ้นบ้าง งานวิจัยนี้ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐฯ (U.S. National Science Foundation หรือ NSF) ถือเป็นการจำลองเซลล์ที่ละเอียดที่สุดเท่าที่เคยมีมา เปิดมุมมองใหม่ต่อการทำงานภายในเซลล์และถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์
เซลล์ที่ใช้ในการจำลองเป็นแบคทีเรียขนาดเล็กที่มีจีโนมเพียง 493 ยีน แม้แต่แมลงหวี่ที่มีขนาดเล็กมากยังมีเกือบ 14,000 ยีน เซลล์แบคทีเรียชนิดนี้ถูกออกแบบให้มีจำนวนยีนน้อยที่สุดเท่าที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตและการแบ่งตัว ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของการจำลอง ผลการศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Cell ซึ่งเป็นงานวิจัยต่อยอดจากข้อมูลเชิงทดลองหลายปีที่มีการสร้างแบบจำลองเมแทบอลิซึมและเครือข่ายย่อยต่างๆ ภายในเซลล์ โดยในงานวิจัยนั้น นักวิจัยสามารถระบุชนิด ตำแหน่ง และหน้าที่ของโมเลกุลนับพันตัวภายในเซลล์ พร้อมสร้างภาพ 3 มิติของสภาพแออัดภายในเซลล์
เมื่อเพิ่มเวลาเป็นมิติที่สี่ ครอบคลุมช่วง 105 นาทีของรอบชีวิตเซลล์ ทีมวิจัยสามารถเห็นพลวัตของเซลล์อย่างที่ไม่เคยเห็นมาก่อน แบบจำลอง 4 มิตินี้แสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบต่างๆ ถูกสร้างและสลายอย่างไร ทำงานและเคลื่อนที่อย่างไร และถูกแบ่งไปยังเซลล์ลูกอย่างไร ความก้าวหน้าครั้งนี้เหนือกว่าการจำลองก่อนหน้านี้ที่ทีมวิจัยเคยทำได้เพียง 20 นาทีของการเจริญเติบโต โดยการขยายเวลาจำลองให้ครอบคลุมรอบเซลล์ทั้งหมดช่วยให้สามารถสังเกตกระบวนการต่างๆ ได้ละเอียดมากขึ้น Susan Marqusee ผู้อำนวยการฝ่ายชีววิทยาของ NSF กล่าวว่า “การจำลองเซลล์ได้ละเอียดระดับนี้ทำให้เราสามารถตั้งคำถามเชิงโมเลกุลเกี่ยวกับการทำงานของกระบวนการภายในเซลล์ และทดสอบสมมติฐานที่ไม่สามารถทำได้ด้วยการทดลองจริง”
การจำลองเซลล์ในระยะเริ่มต้นของการแบ่งตัว
ด้านซ้ายแสดงไซโทพลาซึม (ลูกบาศก์สีน้ำเงิน) โมเลกุลย่อยสลาย mRNA (สีชมพู) และตัวลำเลียงน้ำตาล (สีน้ำตาล)
ครึ่งขวาส่วนที่เพิ่มออกมาเป็นเยื่อหุ้มเซลล์ (สีเขียว) และไรโบโซม (สีเหลือง/แดง)
Graphic by Zane Thornburg, as part of Figure 1 of the paper, “Bringing the genetically minimal cell to life on a computer in 4D.”
Journal: Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2026.02.009
การจำลองเซลล์ในระยะเริ่มต้นของการแบ่งตัว
ด้านซ้ายแสดงเยื่อหุ้มเซลล์ (ลูกบาศก์สีเขียว) และไรโบโซม (สีเหลือง/ม่วง) ที่สอดประสานอยู่ภายในโครโมโซมของเซลล์ (สีแดง)
ด้านขวาแสดงโปรตีนทั้งหมด (สีเทา) และ RNA (สีส้ม) ภายในเซลล์ พร้อมส่วนตัดให้เห็นส่วนที่สองของโครโมโซมของเซลล์ที่แบ่งออกมา (สีน้ำเงิน)
Graphic by Zane Thornburg, as part of Figure 1 of the paper, “Bringing the genetically minimal cell to life on a computer in 4D.”
Journal: Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2026.02.009
ก่อนจะได้รับความสำเร็จนี้ นักวิจัยจาก UIUC ต้องเผชิญกับอุปสรรคสำคัญสองประการ ประการแรกคือการจำลองโมเลกุลที่เคลื่อนที่และปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นพร้อมกันในหลายส่วนของเซลล์ ประการที่สองคือความต้องการพลังการประมวลผลมหาศาล การจำลองรอบหนึ่งใช้เวลาถึง 4–6 วัน บน GPU ประสิทธิภาพสูงของ NVIDIA A100 บนระบบคอมพิวเตอร์ Delta ซึ่งสนับสนุนโดย NSF และรัฐอิลลินอยส์ ผ่านศูนย์ National Center for Supercomputing Applications ของมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์
การจำลองเซลล์มีประโยชน์ทั้งด้านการศึกษาและงานวิจัยขั้นสูง ทีมวิจัยเคยพัฒนาเครื่องมือให้ผู้เรียนสำรวจโครงสร้างของเซลล์ปกติและเซลล์มะเร็งผ่านเกม Minecraft ทำให้ความซับซ้อนของชีววิทยาภายในเซลล์เข้าถึงได้ง่ายขึ้น Marqusee กล่าวเสริมว่า “การจำลองเซลล์ผ่าน Minecraft เป็นเครื่องมือการศึกษาที่ยอดเยี่ยม ช่วยให้ผู้เรียนทุกระดับเข้าใจความซับซ้อนภายในเซลล์ได้ดีขึ้น”
ในอนาคต จะมีการเปิดแบบจำลอง 4 มิตินี้ให้ศึกษาพฤติกรรมของเซลล์ภายใต้สภาวะต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อม การใช้ยาปฏิชีวนะ หรือสารที่รบกวนการแบ่งเซลล์ ซึ่งจะช่วยขยายความเข้าใจในชีววิทยาอย่างเป็นระบบและอาจนำไปสู่แนวทางใหม่ในการพัฒนาการรักษาโรคต่อไป
ที่มา:
From 1 cell to 2, researchers have simulated the entire cell division processม https://www.nsf.gov/bio/updates/1-cell-2-researchers-have-simulated-entire-cell-division
Team simulates a living cell that grows and divides, https://news.illinois.edu/team-simulates-a-living-cell-that-grows-and-divides/
Comments