Бактерии используют генетические схемы для коллективных решений

Исследователи из Центра теоретической биологической физики Университета Райса и их коллеги показали, как сложные генетические схемы позволяют отдельной бактерии в колонии действовать независимо, обеспечивая при этом согласованность действий всей популяции в тяжёлые времена. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Стратегии выживания Bacillus subtilis

В ответ на экстремальный стресс (например, голод) большинство клеток в колонии Bacillus subtilis образуют споры. Это «стратегия путешествия во времени»: живая клетка погибает, но её ДНК сохраняется в прочной оболочке, чтобы возродиться при улучшении условий. Другие клетки выбирают иные пути:

• Становятся подвижными «искателями пищи».
• Вступают в каннибализм.
• Около 10% переходят в состояние компетентности — выжидают, делая ставку на улучшение текущих условий.

Принятие решений и коммуникация

Каждая бактерия постоянно оценивает окружающую среду и общается с соседями с помощью химических сигналов («химических твитов»). Решение принимается с учётом:

• Уровня стресса.
• Ситуации соседних клеток.
• Статистики по количеству клеток, выбирающих споруляцию или компетентность.

Этот процесс управляется специализированной генной сетью со сложной схемой.

Взаимодействие генетических схем

Учёные исследовали взаимодействие двух компонентов схемы:

1. Таймер споруляции — определяет момент образования спор, чувствителен к «шумам» (случайным колебаниям сигнала).
2. Двухпозиционный переключатель компетентности — для его работы, наоборот, необходим шум.

Таймер, контролируемый уровнем стресса, обычно удерживает переключатель компетентности закрытым. При длительном стрессе таймер активирует «окно возможностей», в котором переключатель может быть переведён.

Механизм «игры в кости с контролируемыми шансами»

Во время «окна возможностей» схема осциллирует. При каждой осцилляции переключатель ненадолго открывается, и клетка использует шум как «бросок игральных костей», чтобы решить, перейти ли в состояние компетентности.

Одновременно клетка отправляет химические сигналы соседям, информируя о своём стрессе и попытке «побега». Эти сигналы помогают регулировать схемы соседних клеток и гарантируют, что в компетентность перейдёт не более определённой доли колонии.

Значение исследования

Открытые принципы принятия решений могут быть применены:

• В синтетической биологии для создания сложных систем принятия решений.
• В онкологии для изучения процессов, посредством которых раковые клетки выбирают состояние покоя или метастазирование.

«Это представляет собой реальное слияние идей из статистической физики и биологии», — отметил соавтор работы Хосе Онучик.