Новое ПО для понимания диалогов между клетками

Способность живых клеток к самоорганизации — одно из их важнейших свойств. Общаясь друг с другом, клетки могут, среди прочего, определять своё положение и решать, какие гены включать или выключать. Таким образом, большие группы клеток могут работать сообща и организовываться в различные ткани. Исследователи из Делфтского технического университета разработали программное обеспечение, способное предсказывать и визуализировать эти межклеточные «разговоры» на основе участвующих в них молекул.

Клеточная коммуникация играет ключевую роль, например, в эмбриональном развитии, где клетки посредством образования паттернов определяют, стать ли им клетками мозга, мышц или кожи. Группы клеток могут направлять собственное развитие, обмениваясь молекулами и используя эту информацию для формирования узоров.

Диалог клеток

Паттерн формируется, когда определённые гены активны в одних клетках и выключены в других. «Этот процесс контролируется обменом молекулами, — объясняет исследователь Хён Юк. — Например, клетка посылает соседу молекулу А, которая приказывает активировать определённый ген. Соседняя клетка может ответить, отправив обратно свою молекулу, или переслать ту же (или другую) молекулу следующему соседу».

Так в группе клеток инициируется «клеточный диалог», принимающий форму паттерна. Эти паттерны можно визуализировать, окрашивая клетки в зависимости от того, какие гены у них включены или выключены. Группы клеток могут организовываться в статические и динамические узоры, например, в виде «зебры» или движущейся спиральной волны.

Пример волнового паттерна

Яркий пример клеточного диалога демонстрирует амёба Dictyostelium discoideum. Когда пищи не хватает, голодающие амёбы начинают посылать соседям определённую молекулу. Сообщение «мы голодаем» распространяется от центра колонии к краям, принимая форму спиральной волны.

Благодаря этому паттерну другие клетки понимают, куда двигаться. Они направляются к центру волны, формируя стебелёк — «плодовое тело». Эта форма облегчает перенос амёб ветром в новые места в поисках пищи.

Программное обеспечение

Хотя способность клеток общаться путём обмена молекулами и формирования паттернов известна, «подслушать» эти разговоры сложно. Для этого требуются трудоёмкие эксперименты по определению, какая клетка производит какие молекулы и где какие гены активны.

«С нашим новым ПО клеточные диалоги можно визуализировать и предсказывать без экспериментов, — говорит Юк. — Это значительно упрощает понимание таких процессов».

Исследователи могут загрузить в программу данные о том, какие молекулы и в каком количестве обменивает клетка. ПО вычисляет паттерн, который возникает при начале общения, и визуализирует его, окрашивая клетки по активности генов. В текущей версии программа работает с двумя разными молекулами.

«Удивительно, но мы увидели, что группы клеток, использующие в общении всего две молекулы, могут формировать невероятно сложные паттерны», — отмечает Юк.

Разработчики описывают свою программу как своего рода словарь. ПО сделано открытым, чтобы другие исследователи могли развивать эту работу. «В конечном счёте, цель — включить в модель все молекулы, участвующие в клеточной коммуникации, чтобы лучше понять, как клетки общаются», — заключает Юк.