Исследование раскрывает механизм коллективной коммуникации клеток
Физики из Университета штата Орегон и Университета Пердью обнаружили ключевой механизм межклеточной коммуникации, объясняющий, как биологические системы — от биения сердца до мышечной реакции — функционируют с высокой точностью. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences при поддержке NSF и Simons Foundation.
Как клетки принимают коллективные решения
Клетки обладают сенсорными системами для реакции на стимулы (свет, химические вещества, повреждения). В ответ на сигнальную молекулу ATP в клетке запускаются колебания уровня кальция, что инициирует необходимое действие (например, передачу нервного импульса).
Однако индивидуальные клетки часто ошибаются, их сенсорный процесс «шумный». Точность достигается через коллективную коммуникацию.
Роль щелевых контактов (gap junctions)
Когда клетки контактируют, между ними образуются каналы — щелевые контакты. Исследование на фибробластах показало:
- Несмотря на значительную вариабельность чувствительности отдельных клеток к ATP, коммуникация через gap junctions повышает общую чувствительность.
- Колебания кальция синхронизируются и становятся более однородными.
- Большинство клеток, получивших верный сигнал, «убеждают» меньшинство с ошибочным восприятием.
Этот процесс позволяет клеткам сердца коллективно решать, когда сокращаться, нейронам — точно передавать сигналы, а фоторецепторам — видеть чётко.
Связь с онкологией
В отличие от здоровых клеток, раковые клетки — плохие коммуникаторы. Они сопротивляются процессу коллективного обмена информацией. Когда их становится достаточно, коммуникативная сеть ослабевает и разрушается. Это может быть одним из механизмов биологического повреждения при раке.
Пример из жизни: удар по бейсбольному мячу
Процесс иллюстрируется примером отбивающего, реагирующего на подачу (93 мили/час, менее 0.5 секунды до контакта):
- Восприятие: Фоторецепторы глаза видят мяч. Некоторые ошибочно интерпретируют его как кривую или замедленную подачу.
- Коллективное решение: Большинство клеток приходит к верному выводу — фастбол на уровне колен — и распространяет сигнал через коммуникацию.
- Реакция: После «обсуждения» точный сигнал отправляется в мозг, а оттуда — к мышцам. Кальциевые ионы в мышечных клетках запускают быструю и точную реакцию — удар битой.
Именно точность коллективной клеточной коммуникации делает возможными такие сложные действия, а также гарантирует бесперебойную работу сердца и других систем организма.