Оптимальный дизайн клеточных сенсорных систем

Живые клетки постоянно реагируют и адаптируются к изменениям в окружающей среде. Для этого они развили сенсорные системы, сопоставимые с лучшими искусственными устройствами. Однако точность, с которой эти системы могут измерять химические концентрации, оставалась плохо изученной.

Исследователи из AMOLF разработали теорию, которая предсказывает оптимальный дизайн, максимизирующий точность измерения таких систем. Анализ экспериментальных данных показал, что сенсорная система бактерии E. coli соответствует принципам дизайна, предсказанным их теорией. Работа была представлена в журнале eLife.

Клетки постоянно реагируют на сигналы окружающей среды, такие как химические концентрации белков или молекул пищи. Для этого существуют специализированные сенсорные системы.

Как и любое устройство обработки информации, клеточная сенсорная система требует ресурсов для построения и работы: компоненты, время и энергия для надежной обработки информации. Как эти ресурсы ограничивают производительность сенсорной системы, не было понятно.

Теория AMOLF позволяет предсказать оптимальный дизайн клеточных сенсорных систем, который максимизирует точность измерения при заданных ограничениях на доступность клеточных ресурсов. Теория предсказывает, сколько энергии и белков необходимо для достижения требуемой точности и как это зависит от скорости и силы флуктуаций сигнала в среде.

Исследователи применили свою теорию к наиболее изученной сенсорной системе в биологии — системе хемотаксиса E. coli. Известно, что эта система может обнаруживать чрезвычайно малые изменения концентрации — менее одной тысячной (промилле) на длине тела бактерии. Измерение таких пологих градиентов концентрации очень сложно. Теория авторов предсказывает, что E. coli может делать это точно именно потому, что её сенсорная система спроектирована оптимально, без потерь ресурсов.