Учёные обнаружили молекулярную основу коллективного поведения
Птицы сбиваются в стаи, рыбы — в косяки, пчёлы — в рои. Даже амёбы собираются в удивительно сложные скопления. Учёные давно задавались вопросом, что происходит на клеточном и молекулярном уровне, чтобы обеспечить такую координацию множества отдельных организмов.
Исследование под руководством Томаса Грегора, доцента физики в Принстоне, и Сатоси Савая из Токийского университета, показало, что голодающие амёбы побуждаются к скоординированному скоплению химическим веществом циклическим аденозинмонофосфатом (cAMP), который меняет параметры клеточной среды.
cAMP играет ключевую роль в передаче сигналов внутри живых клеток. В 1967 году Джон Боннер из Принстона показал, что определённые клетки движутся к cAMP, продемонстрировав один из самых ясных примеров хемотаксиса — движения клетки или организма к химическому стимулу.
В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи впервые смогли измерить концентрации этого химического вещества и отметить его эффекты в реальном времени в отдельных живых клетках и их скоплениях у слизевика Dictyostelium.
Ключевое открытие: когда количество cAMP вокруг отдельной клетки достигает определённого критического уровня, клетка начинает пульсировать ритмично, выбрасывая больше химического вещества в окружающую среду. Это побуждает другие клетки пульсировать, создавая каскадный эффект в популяции. В итоге клетки синхронизируются и начинают двигаться вместе как единая масса.
«Это первый случай в биологии, когда такой механизм был показан одновременно на уровне отдельной клетки и на уровне клеточной популяции», — сказал Томас Грегор.
Эксперименты проводились с использованием оптического сенсора, который меняет цвет с ярко-синего на жёлтый при высоких и низких концентрациях cAMP соответственно. Это позволило отслеживать отдельные клетки и одновременно контролировать их внутренние концентрации cAMP в реальном времени.
Значение открытия: Понимание этого механизма может иметь значение для изучения коллективного поведения за пределами амёб — например, для процессов у человека, от скопления белых кровяных телец в лимфатических узлах до поэтапного развития клеток в органы.
Томас Грегор, чьи интересы лежат в области поиска основных физических принципов, управляющих многоклеточной жизнью, подчёркивает:
«Всё чаще становится ясно, что клетки внутри организмов ведут себя коллективно. Поэтому уже недостаточно понимать, как ведут себя отдельные клетки. Вместо этого мы должны идентифицировать их коллективные взаимодействия и механизмы передачи сигналов на системном уровне».