Разделение сигнала и шума в живых клетках

Математик из Бристольского университета и биолог из Эдинбургского университета объединили усилия для решения важной проблемы молекулярной биологии.

Доктор Клайв Боушер и профессор Питер Суэйн опубликовали статью в Proceedings of the National Academy of Sciences, в которой показали, как отделить «сигнал» от «шума» при изучении механизмов живых клеток.

Клетки принимают решения в изменчивой среде, используя внутренне «шумные» биохимические механизмы. Эти эффекты создают значительную, непредсказуемую вариацию — известную как «стохастичность» — как во времени, так и между генетически идентичными клетками. Чтобы понять, как клетки используют и контролируют эти биохимические флуктуации, учёные должны идентифицировать их источники, количественно оценить их эффекты и отделить вариацию, несущую информацию о биологической среде, от мешающего шума.

В своей статье авторы показывают, как разложить флуктуации биохимических сетей на несколько компонентов и как спроектировать экспериментальные «репортёры» для измерения этих компонентов в живых клетках.

«Математика предоставляет методы декомпозиции дисперсии для динамических систем, — сказал доктор Боушер. — Нам удалось установить строгие связи между концепцией внутреннего шума в системной биологии, понятием информационной ёмкости, используемым в технике связи, и корреляционным отношением, введённым в 1950-х годах Альфредом Реньи. Мы построили обобщённую меру отношения сигнал/шум из компонентов дисперсии, чтобы количественно оценить эффективность потока информации через биохимическую сеть».

В статье, описывающей применение этого подхода к дрожжевым клеткам, показано, что большая часть клеточной вариации может иметь информационное происхождение и быть обусловлена флуктуациями в клеточной среде. Результаты прокладывают путь к лучшему пониманию динамики обработки сигналов и принятия решений клетками.

«По мере того как мы лучше понимаем, как клетки реагируют на свою среду, мы сможем лучше контролировать их поведение in situ, — сказал доктор Боушер, — например, обеспечивая доставку синтетическими клетками лекарств в нужное место в организме в нужное время».