Осмысление клеток: модель определяет, какие методы используются клетками для повышения чувствительности
banner
banner
banner
banner

Осмысление клеток: модель определяет, какие методы используются клетками для повышения чувствительности

13
Making sense of cells

Способность организма обнаруживать болезни, инородные вещества, а также местонахождение источников пищи и токсинов, определяется совокупностью химических веществ, окружающих клетки, а также способность клеток «читать» эти химические вещества. Клетки очень чувствительны. Фактически, иммунная система может быть вызвана присутствием только одной чужеродной молекулы или иона. Однако исследователи не знают, как клетки достигают этого уровня чувствительности.

Теперь ученые из отдела теории биологической физики в Окинавском институте науки и технологии, аспирантский университет (OIST) ) и сотрудники Городского университета Нью-Йорка создали простую модель, которая дает ответы на некоторые вопросы. Они использовали эту модель, чтобы определить, какие методы клетка может использовать для повышения чувствительности в различных обстоятельствах, проливая свет на то, как работают биохимические сети в нашем организме.

«Эта модель берет сложную биологическую систему и абстрагирует ее в простую, понятную математическую структуру», – сказал доктор Vudtiwat Ngampruetikorn, бывший постдокторский исследователь в OIST и первый автор исследования статья, опубликованная в Nature Communications . «Мы можем использовать его, чтобы разделить, как клетки могут выбрать расходовать свой энергетический бюджет, в зависимости от окружающего мира и других клеток, с которыми они могут разговаривать».

Принося количественный инструментарий к этому биологическому вопросу, ученые обнаружили, что у них была другая точка зрения для биологов. «Эти две дисциплины дополняют друг друга», – сказал профессор Грег Стивенс, который руководит подразделением. «Биологи, как правило, сосредотачиваются на одной области и углубляются в детали, тогда как физики упрощают и ищут закономерности для целых систем. Важно, чтобы мы тесно сотрудничали, чтобы убедиться, что наши количественные модели не слишком абстрактны и включают важные детали . “

Ученые создали компьютерную модель, которая представляла собой клетку. В ячейке было два датчика (или устройства обработки информации), которые реагировали на окружающую среду вне ячейки. Датчики могут быть связаны с молекулой или ионом извне или не связаны. Когда количество молекул или ионов в химическом коктейле за пределами клетки изменялось, сенсоры реагировали и, в зависимости от этих изменений, либо связывались с новой молекулой или ионом, либо связывались. Это позволило клетке получать информацию о внешнем мире и, следовательно, позволило ученым измерить то, что может повлиять на ее чувствительность.

«После того, как у нас появилась модель, мы могли бы протестировать всевозможные вопросы, – сказал доктор Нгампруетикорн. – Например, является 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 выяснили, позволяет ли клетка потребление энергии и взаимодействие двух датчиков помогли клетке достичь более высокого уровня чувствительности. Они также решили изменить два других компонента, чтобы посмотреть, оказало ли это влияние – уровень шума, который относится к количеству неопределенности или ненужной информации в химическом коктейле, и предшествующий сигнал, который относится к полученным знаниям клетки, полученным из прошлого опыта.

Предыдущие исследования показали, что потребление энергии и взаимодействие с датчиками важны для чувствительности клеток, но это исследование показало, что это не всегда так. В некоторых ситуациях, таких как химический коктейль с низким уровнем шума и высокой корреляцией между различными химическими веществами, ученые обнаружили, что, позволяя клетке потреблять энергию и взаимодействовать с датчиками, она помогает достичь более высокого уровня чувствительности. Однако в других ситуациях, например, при более высоком уровне шума, это не так.

«Это как настроить радио», – объяснил профессор Стивенс. «Если есть слишком много статического (или шума), это не принесет пользы, чтобы включить радио (или, в этом случае, усилить сигнал энергией и взаимодействиями).»

Несмотря на это, объяснил д-р Нгампруетикорн, потребление энергии и взаимодействие с датчиками остаются важными механизмами во многих ситуациях. «Было бы интересно продолжать использовать эту модель, чтобы точно определить, как потребление энергии может влиять на чувствительность клетки», – сказал он. «И в каких ситуациях это наиболее ценно».

Хотя ученые решили посмотреть конкретно на то, как реагируют клетки в их окружении они подчеркнули, что общие рамки их модели могут быть использованы для того, чтобы пролить свет на стратегии восприятия в биологическом мире. Профессор Стивенс объяснил, что, хотя на характеристику изолированных отдельных систем уходит огромное количество усилий, поиск общих принципов значительно меньше. «Если мы сможем найти эти принципы, то это могло бы обновить наше понимание того, как функционируют живые системы, от клеточного общения и мозга до поведения животных и социальных взаимодействий».


0
Article Tags:

Оставьте комментарий

Интересное на сайте