Биологи смоделировали работу клетки в действии
Внутренняя работа клетки включает сотни тысяч отдельных молекул, участвующих в повторяющемся цикле взаимодействий, поддерживающих жизнь. В основе этой активности лежит образование белка.
Биологи из Пенсильванского университета под руководством профессора Джошуа Б. Плоткина и постдока Премала Шаха создали теоретическую модель трансляции белка в хорошо изученной клетке дрожжей. Модель симулирует трансляцию на основе параметров, выведенных из экспериментального снимка взаимодействий рибосом с матричными РНК (mRNA).
Ключевое открытие: скорость производства белка ограничена доступностью свободных рибосом — «фабрик» по синтезу белка в клетке.
Аналогия с лифтом: поведение рибосом, транспортных РНК (tRNA) и mRNA можно сравнить с группой людей, пытающихся подняться на верхний этаж. Что задерживает процесс: время, за которое люди находят лифт, или скорость самого лифта?
В биологии это соответствует вопросу: что задерживает скорость, с которой рибосомы декодируют информацию в mRNA?
- Инициация — как часто рибосомы связываются с началом последовательности mRNA (люди заходят в лифт).
- Элонгация — скорость, с которой рибосомы движутся вдоль цепочки mRNA (скорость движения лифта).
Результаты моделирования:
В здоровых клетках (нормальные условия) рибосомы в дефиците. Основным «узким местом» является этап инициации. Скорость инициации ещё ниже на длинных mRNA. Это разрешает активные дебаты о том, что задаёт темп производства белка.
- По словам Плоткина: «Это имеет эволюционный смысл. Производство рибосом обходится клетке дороже, чем производство tRNA. Поэтому клетке выгоднее быть консервативной и иметь немного меньше рибосом и небольшой избыток tRNA».
В стрессированных клетках (например, при дефиците аминокислот) скорость трансляции задаётся элонгацией. Это связано с нехваткой доступных tRNA для доставки аминокислот. Рибосоме приходится дольше ждать.
- Клетка может адаптироваться, снизив скорость инициации, что подобно снижению скорости автомобиля при нехватке бензина, чтобы доехать до цели.
Техническая сторона: Модель отслеживала в реальном времени ~3 млн tRNA, 200 тыс. рибосом и 60 тыс. mRNA в клетке. Это позволило за месяц симуляций проверить условия, на изучение которых в лаборатории ушли бы десятилетия.
Модель опускает некоторые детали реальных клеток, но, по словам авторов, сохраняет достаточно существенных аспектов трансляции белка. Вычислительные мощности достигли уровня, позволяющего изучать основные процессы жизни на компьютере, что в будущем будет направлять экспериментальные исследования.