Случайные импульсы генов создают узоры жизни

Ученые из Кембриджа, работающие на стыке биологии и компьютерных наук, обнаружили, что случайная активность генов способствует формированию узоров в процессе развития модельной многоклеточной системы.

Все мы начинаем жизнь как одна клетка, которая делится и развивается в специализированные клетки с разными функциями. Этот сложный процесс зависит от точного контроля, но новые данные показывают, что случайные процессы также вносят вклад в формирование паттернов.

В исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые из группы Джеймса Локка в Sainsbury Laboratory Cambridge University и их коллеги из Microsoft Research описывают обнаружение удивительного порядка в случайности при изучении бактериальных биопленок.

Биопленка формируется, когда свободноживущие одноклеточные бактерии прикрепляются к поверхности, объединяются и начинают размножаться, распространяясь по ней. Эти делящиеся клетки созревают, образуя трёхмерную структуру, которая функционирует как многоклеточный организм.

Хотя отдельные клетки могут выживать самостоятельно, эти бактерии предпочитают работать вместе, и биопленки являются доминирующей формой в природе. Консорциум биопленки дает бактериям различные преимущества для выживания, например, повышенную устойчивость к стрессам окружающей среды.

Исследователи разработали новую технику микроскопии с интервальной съемкой, чтобы отслеживать поведение генетически идентичных отдельных клеток по мере развития живой биопленки.

Доктор Евгений Надеждин, соавтор работы: «Мы изучали, как клетки решают взять на себя определенные роли в биопленке. Мы обнаружили, что ближе к поверхности биопленки часто присутствовали два разных типа клеток — клетки, образующие покоящиеся споры, и клетки, которые продолжают расти и активируют защитные стрессовые ответы. Эти два типа клеток взаимоисключающи, но могут существовать в одном и том же месте».

Ученые сосредоточились на детальной картине того, как экспрессия генов (активны они или нет) меняется со временем для отдельных типов клеток, в частности на экспрессии регуляторного фактора sigmaB, который способствует стрессовым ответам и подавляет образование спор. Они обнаружили, что sigmaB случайным образом включается и выключается в клетках с часовыми интервалами, создавая видимый узор из спорулирующих и защищенных от стресса клеток по всей биопленке.

Чтобы понять значение этих импульсов, исследователи создали математическую модель систем стрессового ответа и споруляции, контролируемых sigmaB.

Доктор Ниалл Мерфи, соавтор работы: «Моделирование показало, что случайные импульсы означают, что в любой момент времени только часть клеток будет иметь высокую активность sigmaB и активацию стрессового пути, позволяя остальным клеткам выбрать развитие в споры. Хотя импульсы случайны, с помощью простой математической модели мы смогли показать, что увеличение экспрессии гена создает меняющиеся паттерны в разных регионах биопленки».

Результаты демонстрируют, как случайные импульсы экспрессии генов могут играть ключевую роль в установлении пространственных структур во время развития биопленки.

Доктор Локк: «Эта случайность, по-видимому, контролирует распределение клеточных состояний в популяции — в данном случае в биопленке. Полученные знания можно использовать для разработки синтетических генетических схем, создающих паттерны в многоклеточных системах. Вместо того чтобы схемам требовался механизм для индивидуального контроля судьбы каждой клетки, можно использовать "шум" для случайного распределения альтернативных задач между соседними клетками».