Утечка необходимых веществ помогает клеткам расти
Новые математические модели показывают, что утечка метаболитов — веществ, участвующих в химических процессах поддержания жизни с производством сложных молекул и энергии — может приносить клеткам как эгоистичные, так и альтруистичные выгоды.
Ранее биологи могли лишь утверждать, что утечка — это неотъемлемое свойство клеточных мембран, обусловленное фундаментальными законами химии.
«Природа мембран такова, что они пропускают вещества, но если утечка нежелательна, почему эволюция не остановила её? Этот вопрос никогда не был решён», — отметил профессор Кунихко Канеко из Исследовательского центра биологии сложных систем Токийского университета.
Исследовательская группа использовала расчёты, измеряющие изменения множества факторов во времени (моделирование динамических систем), в сочетании с компьютерным моделированием. Представив клеточное состояние как концентрации внутриклеточных химических веществ (питательные вещества, ферменты, компоненты для синтеза клеточного тела), учёные рассмотрели нелинейные процессы роста клетки, в которых она поглощает внешние питательные вещества и преобразует их в клеточное тело и энергию через внутриклеточные химические реакции. Все расчёты предполагали, что модель клетки находится в устойчивом состоянии роста.
Расчёты были направлены на выявление типов путей химического синтеза, которые становятся более эффективными, если некоторые их компоненты просачиваются в окружающую среду. Математические модели путей синтеза проще, чем сложные разветвлённые пути в живых клетках, но позволяют искать фундаментальные закономерности.
Исследователи выявили две такие модельные химические цепи с каталитическими реакциями, которые используют ферменты для увеличения скорости реакции: механизмы «контроля потока» и «разбавления ростом». В обоих механизмах утечка одного важного начального компонента пути позволяет эффективнее производить конечный продукт. Таким образом, утечка — это то, что клетки делают для эгоистичного ускорения собственного роста.
«В теории механизм контроля потока усиливает путь синтеза биомассы за счёт утечки необходимого химического вещества в альтернативном разветвлённом пути, тогда как механизм разбавления ростом усиливает синтез биомассы за счёт утечки предшественников биомассы (например, аминокислот), необходимых для роста клетки. Это результат баланса между химическими реакциями и разбавлением концентрации, связанным с ростом клеточного объёма», — пояснил Дзюмпэй Ямагиси.
Созданные модельные расчёты пока рассматривают только один тип клеток за раз. Однако утечка начальных компонентов может стать проблемой для клеток, живущих среди идентичных клеток, выделяющих те же вещества.
«Во многих случаях, если все клетки выделяют одну и ту же молекулу, их среда станет "загрязнённой". Но если несколько типов клеток живут вместе, то они могут выделять одно химическое вещество и использовать другое, выделяемое остальными», — сказал Канеко.
Это взаимовыгодный обмен просочившимися необходимыми питательными веществами может быть альтруистичным способом усилить рост всего сообщества клеток.
«Наша работа может частично объяснить, почему естественная среда так сильно отличается от искусственных лабораторных условий, где бактерии выращивают в чистых монокультурах, но для уверенности нам понадобятся дополнительные модели», — отметил Ямагиси.
Исследователи планируют разработать более сложные математические модели, чтобы лучше имитировать естественные условия, где сосуществуют несколько типов клеток, и проверить, откроют ли они другие типы путей синтеза, выигрывающие от утечки.