物理学者は、刺激の濃度の急速で弱い変動に対する細胞の感受性を評価しました

物理学者は、刺激の濃度の急速で弱い変動に対する細胞の感受性を評価しました
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Anonim
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フランスと米国の物理学者は、細胞が変動する環境で刺激分子の濃度を推定する際の誤差を推定する理論モデルを構築しました。このモデルでは、細胞は、固定濃度モデルよりも高度に希釈された溶液中の刺激の濃度の小さな変動に対してはるかに敏感です(これは生物学者の観察と一致しています)。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。作品のプレプリントは、arXiv.orgのWebサイトに掲載されています。

変化する環境で生き残るために、単細胞生物は外部刺激に反応することを学びました。たとえば、インフソリアシューズは、塩分濃度の高い場所に泳いだことを感知し、塩分が少ない場所に逃げようとします。細胞がその表面にある受容体の助けを借りて化合物の不純物を認識することは明らかです。しかし、科学者はまだ物質の分子が受容体にどのように正確に結合するかについてほとんど理解していません。

長い間、研究者は受容体の反応は刺激物質の平均濃度にのみ依存すると信じていましたが、最近の生物学者は実際、細胞も時間の経過とともに濃度の急激な変化を感知することを発見しました。特に、追加の時間情報は、細胞が同様の不純物で汚染された重要な物質の濃度をより正確に推定し、異なるタイプの受容体の数を減らすのに役立ちます。この情報がなければ、微生物は、物質の濃度が数秒程度の特徴的な時間で変化する複雑な環境を移動することができませんでした。残念ながら、受容体と刺激分子の結合に専念するすべての理論モデルは、刺激の濃度が一定である(または少なくとも予測可能である-たとえば、時間とともに直線的に増加する)と見なすため、そのような変化を見逃します。したがって、このようなモデルの予測は、限られた数のケースでのみ実際に適用できます。

物理学者のThierryMoraとIlyaNemenmanは、刺激濃度の時間的変動に対する受容体の反応を説明する最初の理論モデルを構築しました。物理学の他の分野からの方法を適用するために、科学者は、可変濃度から、べき乗による濃度に関連する可変フィールドに切り替えました(c(t)= c0e-φ(t))。受容体が細胞表面にある平らで均一な円であると仮定して、研究者らは受容体に結合するリガンドの速度を推定しました。さらに、科学者たちは、フィールドの変化は、固定された時間スケールでのランダムウォークであると示唆しています。その後、物理学者は、細胞が依然として濃度の変動を感知できる最小スケールを評価しました。

提案されたアプローチの枠組みの中で、科学者は濃度が特定の時間関数に従う確率を計算し、受容体が特定の時点で分子に結合すると仮定し、特定の濃度プロファイルが実現される事後確率を計算しました。簡単にするために、物理学者は、結合後、分子はすぐに受容体から落ちると信じていました。次に、研究者たちは、一定期間にわたって収集されたデータから始めて、濃度の将来の分布の確率を予測しようとしました。その結果、科学者たちは複雑な非線形方程式を手に入れました。この方程式を解くために、研究者たちはガウス仮説を代入しました。これは、フィールドの平均値とその分散に依存する確率分布です。その結果、科学者は2つの1階微分方程式のシステムを受け取りました。このシステムを解く際に、物理学者は、提案されたモデルが可変フィールドプロファイルを予測する際の絶対誤差を推定しました。

受容体の刺激分子への結合速度がその濃度の変動の特徴的な時間よりも大きいと仮定すると、科学者は、分子が分子の濃度を推定する際の相対誤差を発見しました。濃度と結合速度の4乗根に反比例することがわかりました。この推定値は、同じ近似で実行された数値シミュレーションの結果と非常によく一致しています。同時に、濃度が一定であると見なす標準モデルでは、相対誤差は濃度の累乗と結合率の平方根に反比例します。言い換えれば、洗練されたモデルは、細胞が高度に希釈された溶液で生じる刺激のはるかに弱い振動を感知することを示しています。

最後に、物理学者は、構築されたモデルをもっともらしい生物学的システム、つまり細胞内の信号の伝達を説明する生化学的ネットワークに適用しました。この場合、科学者は、数値シミュレーションの結果と一致する、細胞感度の同様の推定値も取得しました。

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(a)生化学的連鎖の図。 (b)時間の経過に伴う実際の濃度変動(赤)とネットワークによって計算された値(青)の比較。挿入図は、濃度を測定する際の相対誤差の濃度の絶対値への依存性を示しています(赤い線-理論、青い線-実践)

物理学者はしばしば生物学的システムに興味を持っており、時には医療目的で興味を持っています。たとえば、2015年8月、米国と中国の研究者は、回折限界を超え、それを使用して細胞内のタンパク質の動きを捉えた新しいタイプの光学顕微鏡を開発しました。昨年4月、ドイツとオランダの生物物理学者は、特に有糸分裂中の紡錘体の形成中の微小管の長さの変化を説明する理論モデルを構築しました。そして同じ年の11月に、日本の科学者は「ウォーキングプロテイン」キネシンがATPのエネルギーをどのように使用するかを測定し、受け取ったエネルギーの20パーセント未満が「有用な仕事」に使われることを発見しました。科学者たちは、単純な理論モデルの下で得られた結果に適合したものの、タンパク質のそのような低い効率を説明することはできませんでした。

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