Теперь ученые из отдела теории биологической физики Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) и сотрудники Городского университета Нью-Йорка создали простую модель, которая дает некоторые ответы. Они использовали эту модель, чтобы определить, какие методы клетка может использовать для повышения своей чувствительности в различных обстоятельствах, проливая свет на то, как работают биохимические сети в нашем организме.
«Эта модель берет сложную биологическую систему и преобразует ее в простую, понятную математическую структуру», – сказал доктор. Вудтиват Нгампруетикорн, бывший научный сотрудник OIST и первый автор исследовательской статьи, опубликованной в Nature Communications. «Мы можем использовать его, чтобы понять, как клетки могут тратить свой энергетический бюджет, в зависимости от окружающего мира и других клеток, с которыми они могут разговаривать."
Принеся количественный инструментарий к этому биологическому вопросу, ученые обнаружили, что у них другая точка зрения, чем у биологов. «Эти две дисциплины дополняют друг друга», – сказал профессор Грег Стивенс, руководитель подразделения. "Биологи, как правило, сосредотачиваются на одной области и глубоко вникают в детали, тогда как физики упрощают и ищут закономерности во всех системах.
Важно, чтобы мы работали в тесном сотрудничестве, чтобы наши количественные модели не были слишком абстрактными и включали важные детали."
На своих компьютерах ученые создали модель, представляющую клетку. В ячейке было два датчика (или блоки обработки информации), которые реагировали на окружающую среду за пределами ячейки. Датчики могут быть либо связаны с молекулой или ионом извне, либо не связаны.
Когда количество молекул или ионов в химическом коктейле вне клетки изменяется, сенсоры реагируют и, в зависимости от этих изменений, либо связываются с новой молекулой или ионом, либо развязывают связь. Это позволило клетке получать информацию о внешнем мире и, таким образом, позволило ученым измерить, что может повлиять на ее чувствительность.
«Когда у нас будет модель, мы сможем тестировать всевозможные вопросы», – сказал д-р. Нгампруетикорн: «Например, будет ли клетка более чувствительной, если мы позволим ей потреблять больше энергии?
Или если мы позволим двум датчикам сотрудничать? Как предыдущий опыт клетки влияет на ее чувствительность?"
Ученые изучали, помогло ли разрешение клетке потреблять энергию и взаимодействие двух датчиков, помогло ли клетке достичь более высокого уровня чувствительности. Они также решили изменить два других компонента, чтобы увидеть, повлияло ли это – уровень шума, который относится к количеству неопределенности или ненужной информации в химическом коктейле, и предшествующий сигнал, который относится к приобретенным клеткой знаниям. полученный из прошлого опыта.
Предыдущие исследования показали, что потребление энергии и взаимодействие сенсоров важны для чувствительности клеток, но это исследование показало, что это не всегда так.
В некоторых ситуациях – например, если химический коктейль имел низкий уровень шума и корреляция между различными химическими веществами высока – ученые обнаружили, что разрешение клетке потреблять энергию и взаимодействие датчиков помогло ей достичь более высокого уровня шума. чувствительность. Однако в других ситуациях – например, при более высоком уровне шума – этого не было.
«Это похоже на настройку на радио», – объяснил профессор Стивенс. "Если есть слишком много статического электричества (или шума), бесполезно включать радио (или, в данном случае, усиливать сигнал энергией и взаимодействиями)."
Несмотря на это, доктор. Нгампруетикорн объяснил, что потребление энергии и взаимодействие датчиков остаются важными механизмами во многих ситуациях. «Было бы интересно продолжить использование этой модели, чтобы точно определить, как потребление энергии может влиять на чувствительность клетки», – сказал он. "И в каких ситуациях это наиболее ценно."
Хотя ученые решили конкретно посмотреть, как клетки реагируют на свое окружение, они подчеркнули, что общую структуру их модели можно использовать, чтобы пролить свет на стратегии восприятия в биологическом мире. Профессор Стивенс объяснил, что, несмотря на то, что прилагается огромное количество усилий для характеристики изолированных, индивидуальных систем, гораздо меньше работы по поиску общих принципов. «Если мы сможем найти эти принципы, то это может обновить наше понимание того, как функционируют живые системы, от клеточной коммуникации и мозга до поведения животных и социальных взаимодействий."
Доктор.
Нгампруетикорн и профессор Стивенс сотрудничали с профессором Дэвидом Швабом из Городского университета Нью-Йорка для этого исследования.