Почему многие клетки лучше одной

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса измерили количество возможных решений, которые отдельная клетка может принять после получения сигнала из окружающей среды. Удивительно, но их всего два.

Новое исследование, впервые сочетающее эксперименты на живых клетках и математику, переводит внутренние процессы принятия решений клеткой на универсальный математический язык. Это позволяет сравнивать обработку информации в клетках с вычислительной мощностью машин.

Исследование, опубликованное 15 сентября в журнале Science, также демонстрирует, почему клеткам выгодно объединяться в многоклеточные организмы, чтобы преодолеть скудные индивидуальные способности к принятию решений.

"Каждая клетка по-разному интерпретирует сигнал из окружающей среды, но если многие клетки объединятся, формируя общий ответ, результат может устранить различия в интерпретации сигнала, одновременно подчеркивая общие черты ответа", — говорит Андре Левченко, доктор философии, доцент биомедицинской инженерии.

Один бит информации представляет два выбора: да или нет, включено или выключено, или 1 и 0 в двоичном коде. Каждый добавленный бит удваивает количество вариантов.

Чтобы определить, сколько бит информации имеет клетка для каждого решения, исследователям нужно было измерить реальный биологический процесс принятия решения. Они решили изучить хорошо известный стимулятор клеток — белок фактор некроза опухоли (TNF), ответственный за запуск воспалительной реакции в организме.

Исследователи вводили разные количества TNF мышиным клеткам в чашках Петри, а затем определяли, попадает ли мессенджер-белок в ядро. Они связали мессенджер со светящейся меткой; чем больше мессенджера в ядре, тем ярче ядро выглядело под микроскопом. С помощью компьютерной программы они количественно оценили яркость ядра после добавления TNF. Из этого они рассчитали, что ответ одной клетки составляет 0.92 бита информации, что позволяет принять два возможных решения.

"Из этой информации мы получаем, что клетка может надежно обнаружить только наличие сигнала или его отсутствие, и ничего более точного", — говорит Левченко.

Исследователи проверили другие сценарии, чтобы увидеть, могут ли клетки реагировать большим количеством способов. Они изучили другие выходные решения, такие как развитие и выживание клеток. Они также проверили, меняется ли ответ клетки на определенный стимул со временем, и исследовали, может ли получение разных входных сигналов, ведущих к одному исходу, повысить потенциал принятия решений. Ни одна из этих ситуаций не заставила клетки проявить большую способность к принятию решений. Клетки, по-видимому, имеют четкие пределы количества информации, которую они воспринимают, что ограничивает количество решений, которые они могут принять.

Наконец, исследователи проверили идею, что клетки могут коллективно реагировать на входной сигнал, чтобы принимать решения вместе. Они вернулись к количественной оценке яркости ядра в ответ на TNF, но на этот раз исследовали кластеры клеток и включили эти данные в свое уравнение. Они обнаружили, что кластеры всего из 14 клеток могут производить 1.8 бита информации, что соответствует от 3 до 4 различных потенциальных решений для кластера.

"Тот факт, что комбинации клеток могут принимать больше решений, объясняет, почему быть многоклеточным — такая хорошая вещь в животном мире, и почему клетки иногда могут достичь гораздо большего, работая вместе, чем по отдельности", — говорит Левченко.

"Мы узнали, что существует четкий предел того, что может произойти в клетке, и мы впервые количественно оцениваем, что клетки могут и чего не могут делать", — говорит Левченко.