Как физика и химия ограничивают функции примитивных и современных клеток
Основной вопрос биологии — как жизнь удовлетворяет фундаментальным ограничениям, накладываемым физикой и химией. Команда биоинженеров из Центра биологической устойчивости фонда «Ново Нордиск» (DTU) определила десять основных классов ограничений для ранних метаболических сетей, диктуемых базовой химией и физикой.
Эти абиотические ограничения (ABC) включают:
- Термодинамику
- Электронейтральность
- Осмотическое давление
- pH
Все живые системы должны им подчиняться. Согласовать эти сложные ограничения для определения допустимых условий работы клеток — вычислительная задача. Учёные решили её с помощью специальных алгоритмов оптимизации, адаптированных к геометрической структуре проблемы.
Ключевые выводы исследования (Nature Communications):
- Термодинамические ограничения сыграли фундаментальную роль в эволюции альтернативных транспортных систем.
- Вычисления согласуются с опубликованными метаболомными данными.
- Механизмы реакции на базовый стресс (например, на осмотическое давление и активные формы кислорода, ROS) должны работать и регулироваться предсказанным образом.
- Поведение современных бактерий отражает эти вычислительные прогнозы.
Этот подход помогает понять системную биологию на фундаментальном уровне и то, как основы жизни формируют возможные ранние эволюционные траектории. Следующий шаг — применить эту вычислительную модель к кандидатным абиотическим органическим химическим процессам и возможным формам первичных метаболических сетей. Эти процессы должны образовывать достаточно стабильные гомеостатические состояния для эволюции более сложных клеточных функций.