Математическая модель объясняет точность времени ключевых внутриклеточных событий

Фаговая терапия, использующая способность некоторых вирусов заражать и размножаться внутри бактерий, перспективна для лечения устойчивых к антибиотикам инфекций. Однако её разработка требует глубокого понимания механизмов работы фагов.

«Фаги могут убить клетку сразу или перейти в спящее состояние и убить её позже», — говорит Абхюдай Сингх, доцент электротехники в Университете Делавэра. Он отмечает, что данные показывают высокую точность времени уничтожения: процесс занимает около часа, но остаются вопросы о том, как клетки контролируют эту точность.

Сингх и Джон Деннехи из Куинс-колледжа и Высшей школы Городского университета Нью-Йорка совместно исследовали молекулярную основу этого процесса. Их результаты опубликованы в статье «First-Passage Time Approach to Controlling Noise in the Timing of Intracellular Events» в онлайн-версии Proceedings of the National Academy of Sciences 9 января.

Сингх и аспирант Кхем Радж Гхусинга обеспечили теоретическую часть работы, а Деннехи — биологическую основу. Исследование имеет важное значение для медицины.

«Проблема в том, что, несмотря на общую точность процесса, существует присущая случайность от клетки к клетке, — говорит Сингх. — Наша математическая модель — это, по сути, структура, которая вносит порядок в эту случайность и даёт общие биологические идеи, применимые в лаборатории».

Он объясняет, что белки холины необходимы для лизиса (разрушения) клетки. Они накапливаются на клеточной мембране, достигают критического порога, а затем образуют поры, которые разрывают клетку и высвобождают фаговое «потомство». Однако тот же ген, который экспрессирует холин, экспрессирует и другой белок — антихолин.

«Любопытно, что природа создаёт две версии белка, которые нейтрализуют друг друга, — отмечает Сингх. — Но оказывается, именно антихолин обеспечивает точность времени. Если убрать антихолин, вариативность процесса возрастает».

Формулы, разработанные в работе, дают неочевидное понимание регуляторных механизмов, необходимых для запланированного запуска события в точное время с минимальными колебаниями.

«Хотя мы ожидали, что обратная связь будет важной частью механизма запуска, оказалось, что отрицательная обратная связь может фактически усиливать "шум" или неопределённость во времени события, — говорит Сингх. — Таким образом, в некоторых случаях, как в нашей работе по лизису у бактериофагов, точность времени достигается вообще без обратной связи».

«Мы считаем, что аналитические результаты и идеи, полученные в этой работе, имеют более широкое значение для временны́х явлений в химической кинетике, экологическом моделировании и статистической физике».