Исследователи университета Джонса Хопкинса определили количество возможных решений, принятых клеткой после стимуляции. И удивительно, их оказалось только два.
Первое в своем роде исследование связывает математику и процессы, происходящие в живой клетке. Внутренние процессы принятия клеткой решений преобразовывают в универсальный математический язык.
Исследование опубликовано в сентябрьском журнале Science. Оно показывает высокую заинтересованность клеток в формировании многоклеточных организмов.
«Каждая клетка отвечает на сигнал извне по-разному, но если клетки объединяются, они могут формировать системный ответ, в результате чего устраняются различия в интерпретации сигнала» — говорит профессор биоинженерии и член Института клеточных технологий, доктор Андрэ Левченко. «Если только одной клетке кровеносного сосуда отправлен сигнал сократиться, то эффекта не будет. Необходимо, чтобы всем окружающим клеткам в сосуде был отправлен этот сигнал, только в этом случае просвет артерии сузиться. Клеточное взаимодействие — это нечто удивительное, особенно поражает способность передавать информацию и трансформировать её в конкретное решение действовать».
Один бит информации имеет два варианта: да — нет, вкл. — выкл., один — ноль в двоичном коде программистов. Два бита удваивают количество вариантов до четырех, и так далее при каждом добавлении бита.
Чтобы определить, сколько битов информации содержится в клетке при принятии одного решения, ученые должны были измерить в реальном времени биологический ход формирования ответа. Они наблюдали за известным триггером клетки — фактором некроза опухолей (ФНО) — запускающем лихорадку. Когда клетки на своей поверхности обнаруживают ФНО, они передают информационный белок в ядро, и включается «ген лихорадки».
Исследователи добавляли различное количество ФНО к мышиным клеткам, а затем определяли количество информационного белка, переданного клетками в ядро. Белок связали с иммунофлюоресцентным веществом (ИФВ): чем больше белка в ядре, тем более ярким оно было под микроскопом. Для обработки результатов использовали компьютерную программу, определяющую концентрацию ИФВ в ядре после добавления ФНО. В результате, вычислили ответную реакцию одной клетки, которая составляла 0.92 бита информации, и давала два варианта.
«В итоге выяснилось, что клетка может обнаружить только присутствие сигнала, и больше ничего» — говорит Левченко. «Это немного нас расстроило, потому что мы надеялись, что клетка может принимать намного больше решений»
Проверили и другие сценарии различных ответов клетки, наблюдали за жизнеобеспечением клетки и её развитием. Надеялись увидеть изменение ответа клетки на определенный длительный стимул, но пришли к тому же самому результату — повышался только потенциал принятия решения.
Наконец, исследователи решили проверить, могут ли клетки совместно принять решение и ответить на сигнал. Они вернулись к определению яркости ядра в ответ на стимуляцию ФНО, но на сей раз, исследовали группу клеток и выяснили, что группа из 14 клеток создавала 1.8 бита информации, что соответствует уже 3-4 различным ответам.
«Взаимодействие клеток в принятии решений объясняет, почему им очень выгодно формировать многоклеточный организм» — говорит Левченко.
Статью подготовил и отредактировал: врач-хирург Пигович И.Б.