Клетки могут использовать динамические паттерны для выделения сигналов из шума

Учёные обнаружили общий принцип, с помощью которого клетки могут точно передавать химические сигналы, несмотря на высокий уровень шума в системе. Результаты опубликованы на этой неделе в журнале Science.

Ответ клетки на внешние химические сигналы зависит от её физиологического состояния, которое может значительно колебаться. Количество различных белков в отдельных клетках варьируется до 25%.

«По сравнению с инженерными компонентами, такими как транзистор, это очень много шума, — говорит Рой Воллман, профессор химии и биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего. — Это требует иного подхода к решению проблемы».

Воллман и коллеги объединили передовую микроскопическую визуализацию с теорией информации, чтобы определить, как клетки могут кодировать информацию об уровне поступающих химических сигналов с учётом их изменчивого состояния.

Они изучили три различные системы химической коммуникации — молекулы вне клеток, вызывающие три разных типа изменений внутри, каждый в своём временном масштабе:

• Один сигнал высвобождает кальций из внутренних запасов, который свободно диффундирует в цитоплазме в течение нескольких минут.
• Другой изменяет форму молекулы-рецептора примерно за час.
• Третий перемещает белок из цитоплазмы в ядро клетки, где он взаимодействует с ДНК, примерно за 10 часов.

Команда Воллмана записала ответы на три сигнала с помощью микроскопической системы, которая непрерывно измеряет изменения в тысячах клеток одновременно. Они отследили более 900 000 клеток, реагирующих на различные уровни каждого из трёх химических сигналов.

Ни один отдельный показатель не фиксировал ответы клеток таким образом, чтобы точно сохранить информацию о концентрации внешнего химического сигнала. Вместо этого показатель, фиксирующий изменение ответов клетки во времени, точно отражал уровень поступающего сигнала. Анализ с позиций теории информации показал, что «шум» изменчивых клеточных состояний можно устранить таким способом.

«Это показывает, как построить систему связи, которая может функционировать при наличии такого большого шума», — сказал Воллман.