Исследователи обнаружили пульсирующий ответ на стресс у бактерий

Биологи долгое время считали, что клетки реагируют на изменения среды, просто переключаясь из одного стабильного состояния в другое и оставаясь в нём. Однако исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) обнаружили, что клетки могут использовать новый механизм — пульсацию.

В эксперименте изучали, как бактерия B. subtilis реагирует на стресс, например, на отсутствие пищи. В таких условиях организм активирует множество генов, помогающих справиться с трудностями. Вместо того чтобы просто включить эти гены до исчезновения стресса, бактерия непрерывно переключает их то вкл, то выкл. При усилении стресса частота этих импульсов увеличивается.

"Это совершенно иной взгляд на то, как клетка может реагировать на определённый стресс", — говорит Джеймс Лок, постдок Caltech.

Чтобы это выяснить, учёные добавили химическое вещество, ингибирующее производство ATP — молекул-переносчиков энергии. Этот стресс запускает взаимодействия внутри генетической цепи, содержащей петли положительной и отрицательной обратной связи. Цепь генерирует устойчивые импульсы активности ключевого регуляторного белка σ^B ("сигма B").

К цепи присоединили флуоресцентные белки, заставляющие клетки светиться зелёным при активации σ^B. Снимая "кино" мигающих клеток, команда изучила динамику цепи.

Ключ к пульсирующему механизму — внутренняя изменчивость (шум) в процессе производства белков. Количество копий любого конкретного белка в клетке со временем колеблется. Бактериальная генетическая цепь усиливает эти молекулярные флуктуации, создавая дискретные импульсы активации σ^B. Стресс также активирует другой ключевой белок, модулирующий частоту импульсов.

Превращая постоянный вход (стресс) в колеблющийся выход (активацию σ^B), генетическая цепь аналогична электрическому инвертору, преобразующему постоянный ток (DC) в переменный (AC).

"Можно подумать, что для этого нужна сложная схема, но клетка может сделать это всего с несколькими белками, используя шум", — объясняет Майкл Эловиц, профессор биологии и биоинженерии Caltech.

Эта работа показывает, как относительно простые генетические цепи могут порождать сложное динамическое поведение в отдельных клетках.

"Мы надеемся, что похожие механизмы могут встречаться и в других клеточных процессах", — говорит Лок.

Исследование "Stochastic pulse regulation in bacterial stress response" опубликовано в выпуске Science от 21 октября. Финансирование обеспечили NIH, NSF, фонд Паккарда, International Human Frontier Science Organization и European Molecular Biology Organization.