Случай определяет гибель клетки или нормальное потребление сахара

Некоторые клетки случайно, а не из-за генетического дефекта, не могут правильно запустить молекулярные процессы для расщепления сахара. Эти клетки не способны расти и впоследствии погибают. Это открытие было сделано междисциплинарной командой под руководством Баса Тёсинка, профессора системной биологии в Амстердамском свободном университете (VU University Amsterdam), Нидерланды. Это открытие фундаментально меняет наши представления о таких метаболических путях и их регуляции и потенциально может привести к новым способам лечения раковых клеток. Эйнштейн говорил: «Бог не играет в кости». Однако, похоже, клетки играют: вероятность метаболического сбоя можно предсказать и манипулировать ею, но невозможно предсказать, какие именно отдельные клетки будут затронуты. Результаты этого исследования были опубликованы в Science 16 января.

Гликолиз — это метаболический путь, центральный для энергогенерирующей активности внутри клеток: этот путь шаг за шагом расщепляет глюкозу (сахар, углевод) до молочной кислоты (у человека) и спирта (у дрожжей), и в этом процессе генерирует энергию, необходимую для роста и выживания. Этот путь играет ключевую роль как в заболеваниях (диабет, рак), так и в биотехнологии (биотопливо, пищевое брожение). Тёсинк: «Ожидается, что когда вы предлагаете клеткам сахар, следует химический поток (движение молекул) через путь».

Идентичные близнецы и кока-кола

В сотрудничестве с другими группами в VU University и с учеными из Центра Клюйвера в Делфте, системные биологи из VU University обнаружили, что это не всегда так: иногда процесс поглощения и расщепления не запускается должным образом, что приводит к метаболической «пробке», которая затрудняет движение молекул по пути; состояние, ведущее к гибели. Какие клетки справляются с сахаром, а какие оказываются в «пробке», — дело случая: небольшие негенетические различия между отдельными клетками в момент, когда им дают сахар. Это приводит к появлению двух типов клеток, растущих и нерастущих, в популяции генетически идентичных особей. «Это как иметь популяцию идентичных близнецов, дать всем им стакан кока-колы, и несколько человек заболевают. Повторите это, и по случайности заболевает другой набор людей».

Компьютерное моделирование

Ученые сделали это открытие, объединив биологические знания и математику в компьютерную модель гликолиза; это позволило им смоделировать «метаболическое движение» по пути. Предсказания, сделанные этими симуляциями, были затем экспериментально подтверждены в лаборатории. С помощью этого подхода системной биологии они обнаружили механизм, с помощью которого клетки дрожжей — чемпионы по гликолизу в промышленности (например, пиво, вино, биотопливо) — минимизируют шансы возникновения метаболической «пробки». Понимая этот механизм, можно увеличить долю клеток, которые функционируют правильно, чтобы, например, оптимизировать биотехнологические применения. С другой стороны, это же понимание можно использовать для сокращения числа клеток, способных справляться с сахаром, и это предполагает потенциально новые стратегии для снижения жизнеспособности нежелательных (например, раковых) клеток.