Бактерии, вирусы и раковые клетки используют стратегию хеджирования, как инвесторы
Математики из Центра передового опыта ARC по математическим и статистическим границам применили теорию управления финансовыми рисками к изучению динамики биологических популяций. Это позволило лучше понять возникающую стратегию «клеточного хеджирования», которая максимизирует ожидаемую скорость роста бактерий и других микроорганизмов.
Математик профессор Мэтью Симпсон объяснил, что бактерии «инвестируют» в «персистеры» — медленно растущую субпопуляцию, чтобы обеспечить своё выживание перед лицом неопределённости и изменчивости.
«Стратегия клеточного хеджирования в виде бактериальной персистенции — главный фактор устойчивости к антибиотикам и причина неизлечимости обычных инфекций».
В то время как большинство клеток растёт и делится, крошечная доля популяции бактерий — возможно, одна на миллион — становится персистерами и остаётся в спящем состоянии. Они активируются, чтобы восстановить популяцию после неблагоприятного события, например, воздействия антибиотиков.
Подобные персистерам стратегии также обнаружены у некоторых раковых клеток и вирусов, что помогает объяснить ремиссию, рецидив и способность вирусов годами оставаться неактивными в организме.
«Эти спящие клетки часто упускают из-за их редкости, но их необходимо учитывать перед клиническими вмешательствами».
Исследование заложило новую теоретическую основу для изучения того, как клетки адаптируются к неопределённости, используя идеи из математических финансов.
«Мы применили междисциплинарные идеи из математических финансов к проблеме клеток-персистеров в биологии. Наши инструменты могут моделировать персистенцию бактерий в условиях математических моделей действительно изменчивой среды».
В финансовой модели инвесторы распределяют часть своего капитала между высокодоходным, но волатильным активом (акции) и низкодоходным стабильным активом (государственные облигации). Аналогично, бактерии эволюционно выработали механизмы распределения клеток: большая часть популяции остаётся пролиферативной, но уязвимой к изменениям, а некоторые становятся персистерами.
Ключевой результат прямого сравнения бактериальной персистенции с финансовой задачей: для простой модели изменчивости среды бактериям для максимизации роста необходимо поддерживать постоянную долю персистеров.
Это важно, потому что популяция клеток не может напрямую контролировать эту долю, в отличие от финансового инвестора, даже если поведение клеток заставляет думать, что они действуют разумно.
«Эта модель клеточного хеджирования имеет клиническое значение и может быть применена для повышения эффективности противомикробной терапии».
Модель открывает путь для экспериментальных исследований, где бактерии будут неоднократно подвергаться воздействию изменчивой среды. Это даст понимание того, как бактерии адаптируются к измеримой форме неопределённости.
«Наша система могла бы предсказать как возникающую стратегию, так и поведение бактериальной популяции при воздействии таких вмешательств, как антибиотики».
Дальнейший математический анализ моделей изменчивости среды может помочь в планировании экспериментов, показывая, какие особенности среды сильнее всего влияют на стратегии персистеров. Ожидается разная реакция на среду, где изменения происходят постепенно, по сравнению со средой, где изменения вызваны резкими скачками.
Исследование «Persistence as an optimal hedging strategy» было опубликовано и размещено на обложке выпуска журнала Biophysical Journal от 5 января.