Как бактерии обрабатывают информацию из окружающей среды
Бактерии постоянно сталкиваются с изменяющимися температурой, кислотностью и химическими стимулами. Клетки должны интерпретировать эту информацию и выбрать правильный ответ — ускорить метаболизм, начать размножаться или нейтрализовать токсин.
Биолог MIT Майкл Лауб исследует, как клетки так точно интерпретируют и реагируют на этот поток данных. «Это классическая проблема, которая меня больше всего интересует: как клетки регулируют собственное поведение?» — говорит Лауб, доцент кафедры биологии.
Чтобы ответить на этот вопрос, Лауб и его студенты систематически изучают взаимодействия пар сигнальных белков в бактериях. Их работа не только объясняет сложное поведение бактериальных клеток, но и проливает свет на то, как такая сложность эволюционировала из нескольких базовых «строительных блоков». Недавно им удалось собрать воедино механизм, благодаря которому множество различных клеточно-сигнальных путей возникает путем дупликации и модификации одного исходного пути.
«Биология очень плохо придумывает совершенно новые способы делать что-либо. Биологические системы гораздо лучше берут существующие пути и вносят в них изменения — комбинируют, слегка модифицируют и генерируют разнообразие и новые функции из ограниченного набора основополагающих материалов», — поясняет Лауб.
Фокус на двухкомпонентных сигнальных системах
В MIT с 2006 года исследования Лауб разделились на два основных направления:
- Изучение роли двухкомпонентных сигнальных белков в делении клеток Caulobacter crescentus.
- Исследование того, как киназы в этих системах взаимодействуют именно с правильными факторами транскрипции.
Двухкомпонентные сигнальные белки — это киназы, реагирующие на внешние сигналы. При активации они фосфорилируют специфичные факторы транскрипции, которые, в свою очередь, контролируют гены, необходимые для ответа клетки.
«Эти двухкомпонентные сигнальные пути есть практически у каждой бактерии на планете, и у большинства бактерий их десятки или сотни», — отмечает Лауб.
Ключевой вопрос: как конкретная киназа, активируясь, находит «свой» фактор транскрипции среди всех других возможных субстратов?
В 2008 году Лауб и его студенты опубликовали работу, в которой идентифицировали ключевые аминокислотные последовательности, контролирующие взаимодействие между киназами и их партнерами-факторами транскрипции. Они также обнаружили, что эти аминокислоты эволюционируют совместно по мере изменения функций белков.
Хотя исследования сосредоточены на бактериях, подобные явления происходят во всех типах организмов. «Прелесть бактерий в том, что это более простая и управляемая система, чтобы разобраться в этом на очень детальном молекулярном уровне», — говорит Лауб.