Стоимость точности: клеточная сигнализация балансирует между передачей информации и энергозатратами

Клеточная передача сигналов оптимизирована не только для точности — она также имеет «потолок» энергетических затрат. Соотношение между информацией и энергией, хорошо известное в физике и инженерии, вероятно, фундаментально формирует клеточные сигнальные сети. Исследователи из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка под руководством биофизика Виктора Суржика изучают, что обеспечивает надежную передачу сигналов в «шумной» клеточной среде. Команда исследует передачу сигналов у пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), сочетая подходы теории информации с количественными экспериментами.

Точная сигнализация критически важна для выживания любого организма: только точная передача полученных сигналов позволяет клеткам запускать адекватные ответы. В биологических системах случайные флуктуации сигналов создают фоновый шум, который может мешать коммуникации. Однако мало известно о том, как подавление шума достигается в клеточных сетях.

Феромоновый сигнальный путь пекарских дрожжей относится к классу MAPK (митоген-активируемых протеинкиназных) путей, которые у эукариот играют ключевую роль в передаче и трансляции внеклеточных стимулов во внутриклеточные ответы, такие как дифференцировка, пролиферация или реакции на стресс.

Наличие в феромоновом пути дрожжей отрицательных обратных связей можно было бы считать явным признаком отбора на повышенную точность. Однако как теоретический, так и экспериментальный анализ показал, что точность пути можно было бы легко улучшить, повысив чувствительность одной из этих обратных связей. Почему же дрожжи не оптимизировали систему таким образом?

Затраты против выгод

Ответ, по-видимому, лежит в клеточной экономике. Противоречие исчезает, когда учитываются энергетические затраты на работу сигнального пути.

«Мы смогли показать, что ядро MAPK-сигнального пути — цикл фосфорилирования — имеет измеримые затраты на приспособленность. Когда они принимаются во внимание, а точность передачи сигнала взвешивается против энергетических затрат на работу пути, естественно наблюдаемый дизайн оказывается оптимальным», — объясняет Александр Андерс, первый автор публикации.

«Здесь мы наблюдаем соотношение между информацией и энергией, аналогичное тому, что хорошо установлено в физике и инженерных науках», — говорит Виктор Суржик. — «В биологии этому взаимодействию до сих пор уделялось мало внимания. Наша работа предполагает, что компромисс между затратами и выгодами при передаче информации, должно быть, был важен в эволюции клеточных сигнальных систем. Это помогает нам лучше понять эволюционную оптимизацию клеточных сигнальных сетей».