Новый математический подход объясняет, как клетки общаются для формирования эмбриона

Биологические процессы часто основаны на самоорганизации — способности системы создавать упорядоченные структуры без внешнего управления, как в стае рыб или птиц. Эмбрион млекопитающего развивается по схожему принципу.

В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, Дэвид Брюкнер и Гашпер Ткачик из Института науки и технологий Австрии (ISTA) представляют математический подход, который анализирует этот процесс и предсказывает его оптимальные параметры. Этот подход предлагает универсальный математический язык для описания биологической самоорганизации в эмбриональном развитии и за его пределами.

В процессе развития эмбриона из одной оплодотворённой яйцеклетки формируется многоклеточный организм с различными типами клеток. Чтобы определить свою роль, клетки постоянно общаются друг с другом с помощью химических сигналов. Этот процесс синхронизирован и скоординирован без какого-либо центрального управления — коллектив клеток самоорганизуется через взаимодействия между отдельными клетками.

Самоорганизующийся эмбрион

Самоорганизация в природе повсеместна: её можно наблюдать в стаях, коллективах насекомых и микроскопических процессах на клеточном уровне. Интерес Дэвида Брюкнера заключается в теоретическом понимании этих процессов, особенно эмбрионального развития — сложного процесса, управляемого генетикой и межклеточной коммуникацией.

«На многих этапах этого процесса развития у системы нет внешнего сигнала, который бы указывал ей, что делать. Существует внутреннее свойство системы, позволяющее ей устанавливать паттерны и структуры», — говорит Брюкнер. «Это внутреннее свойство и есть самоорганизация».

Даже при наличии непредсказуемых факторов — «шума» — эмбриональные паттерны формируются надёжно и воспроизводимо. Хотя в последние годы учёные глубже поняли молекулярные детали этого процесса, не хватало математического подхода для анализа и количественной оценки его эффективности. Ответы предоставляет язык теории информации.

Объединение экспертиз

«Теория информации — это универсальный язык для количественной оценки структуры и регулярности в статистических ансамблях, то есть в наборах повторений одного и того же процесса. Эмбриональное развитие можно рассматривать как такой процесс, который воспроизводимо создаёт функциональные организмы, очень похожие, но не идентичные», — говорит профессор ISTA и эксперт в этой области Гашпер Ткачик.

Группа Ткачика уже разработала подход для системы раннего эмбриона мухи, где паттерны не самоорганизуются, а задаются химическими сигналами от матери. Брюкнер обратился к нему, чтобы разработать аналогичный подход для эмбриона млекопитающих. «С опытом Гашпера в теории информации нам удалось это собрать воедино», — добавляет Брюкнер.

За пределами эмбрионального развития?

Во время эмбрионального развития клетки обмениваются сигналами и постоянно подвергаются случайным, непредсказуемым колебаниям (шуму). Поэтому клеточные взаимодействия должны быть устойчивыми. Новый подход измеряет, как эти взаимодействия, возможно, оптимизированы, чтобы противостоять шуму.

Используя компьютерное моделирование взаимодействующих клеток, учёные исследовали условия, при которых система всё ещё может иметь стабильный конечный результат, несмотря на введение флуктуаций.

Хотя подход успешно доказал свою эффективность на трёх различных моделях развития, основанных на химической и механической передаче сигналов, для его применения к экспериментальным данным реальных развивающихся систем потребуется дополнительная работа.

«В будущем мы хотим изучить более сложные модели с большим количеством параметров и измерений», — говорит Ткачик.

«Количественно оценивая более сложные модели, мы также сможем применить наш подход к экспериментально измеренным паттернам химических сигналов в развивающихся эмбрионах», — добавляет Брюкнер. Для этой цели два теоретика объединятся с экспериментаторами.