Как клетки повышают чувствительность: модель определяет используемые техники
Способность организма обнаруживать болезни, чужеродные материалы, источники пищи и токсины определяется химическим "коктейлем", окружающим клетки, и их умением "считывать" эти химические сигналы. Клетки обладают чрезвычайно высокой чувствительностью — иммунная система может активироваться присутствием всего одной чужеродной молекулы или иона. Однако механизмы достижения такой чувствительности оставались неясными.
Учёные из Биофизической теоретической единицы в Окинавском институте науки и технологий (OIST) и их коллеги из City University of New York создали простую модель, дающую ответы на этот вопрос. С её помощью они определили, какие техники клетка может использовать для повышения чувствительности в различных обстоятельствах, что проливает свет на работу биохимических сетей в организме.
"Эта модель превращает сложную биологическую систему в простую, понятную математическую структуру", — сказал д-р Вудтиват Нгампруетикорн, первый автор статьи в Nature Communications.
Исследователи создали компьютерную модель клетки с двумя сенсорами (блоками обработки информации), реагирующими на внешнюю среду. Сенсоры могли быть связаны с молекулой/ионом извне или свободны. При изменении химического состава снаружи сенсоры реагировали, связываясь или освобождаясь, что позволяло клетке получать информацию. Это дало учёным возможность измерить, что влияет на её чувствительность.
Модель позволила протестировать ключевые вопросы:
- Повышает ли чувствительность увеличение потребления энергии клеткой?
- Помогает ли кооперация (взаимодействие) между двумя сенсорами?
- Как влияет предыдущий опыт клетки?
Учёные исследовали влияние двух факторов на чувствительность:
- Потребление энергии клеткой.
- Взаимодействие сенсоров друг с другом.
Также они варьировали два параметра среды:
- Уровень шума — количество неопределённости или бесполезной информации в химическом коктейле.
- Сигнальный приор — приобретённые знания клетки, полученные из прошлого опыта.
Результаты показали, что роль энергии и взаимодействий не абсолютна. Ранее считалось, что они всегда важны для чувствительности, но новое исследование это опровергло.
- В ситуациях с низким уровнем шума и высокой корреляцией между разными химическими веществами потребление энергии и взаимодействие сенсоров действительно помогали достичь более высокой чувствительности.
- Однако при высоком уровне шума это не работало.
"Это как настраивать радио, — объяснил профессор Грег Стивенс. — Если слишком много помех (шума), нет смысла увеличивать громкость (или, в нашем случае, усиливать сигнал с помощью энергии и взаимодействий)".
Несмотря на это, д-р Нгампруетикорн отметил, что потребление энергии и взаимодействия сенсоров остаются важными механизмами во многих ситуациях.
Хотя исследование фокусировалось на реакции клеток на окружающую среду, его общая модель может быть применена для изучения стратегий восприятия во всём биологическом мире. Профессор Стивенс подчеркнул, что поиск общих принципов может обновить наше понимание работы живых систем — от клеточной коммуникации и мозга до поведения животных и социальных взаимодействий.