Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали модель в масштабе генома, которая может точно предсказать, как бактерии кишечной палочки реагируют на изменения температуры и генетические мутации. Работа направлена на обеспечение всестороннего понимания на системном уровне того, как клетки адаптируются к стрессу окружающей среды. Эта работа находит применение в точной медицине, где адаптивное моделирование клеток может обеспечить индивидуальное лечение бактериальных инфекций для каждого пациента.
Группа под руководством Бернхарда Палссона, профессора биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, опубликовала работу 10 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Чтобы иметь полный контроль над живыми клетками, нам необходимо понять фундаментальные механизмы, с помощью которых они выживают и быстро адаптируются к меняющимся условиям», - сказал Ке Чен, научный сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего и первый автор исследования. автор.
Фундаментальный принцип, лежащий в основе этой работы, заключается в том, что изменения в окружающей среде вызывают изменения в белковой структуре клетки. Например, более высокие температуры дестабилизируют белковые молекулы. Новая вычислительная модель в масштабе генома под названием FoldME предсказывает, как клетки кишечной палочки реагируют на температурный стресс, а затем перераспределяют свои ресурсы для стабилизации белков. «Чем сильнее дестабилизируются белки, тем больше ресурсов уходит на их повторную стабилизацию, что делает ресурсы менее доступными для роста и других клеточных функций», - объяснил Палссон.
Чтобы построить FoldME, команда сначала собрала структуры всех белковых молекул в клетках E. coli, а затем интегрировала эти данные в существующие геномные модели метаболизма и экспрессии белков для E.коли. Затем они рассчитали биофизический профиль, который показывает, насколько хорошо каждый белок складывается при разных температурах. Поскольку белкам обычно нужны небольшие молекулы, называемые шаперонами, чтобы помочь им сворачиваться при высоких температурах, исследователи также включили в модель реакции сворачивания с участием шаперонов. Затем они настраивают модель на максимальную скорость роста клеток.
FoldME точно смоделировал реакцию клеток кишечной палочки в широком диапазоне температур и предоставил подробную информацию о стратегиях, которые они использовали для адаптации к каждой разной температуре. Предсказания модели соответствовали экспериментальным данным. Например, он правильно воспроизвел изменения скорости роста клеток кишечной палочки при разных температурах. Моделирование FoldME также показало, что клетки кишечной палочки потребляют другой тип сахара при высоких температурах.
Модель также оценила, как мутации в одном гене влияют на реакцию клеток кишечной палочки на стресс. Он предсказал, что точечные мутации в одном метаболическом гене, называемом DHFR, приводят к дифференциальной экспрессии большого количества белков. Это подтвердили и экспериментальные данные.
Другим важным аспектом этой работы является то, что она подчеркивает регулирующую роль сети сопровождения на системном уровне, которая была упущена из виду в предыдущих исследованиях, сказал Чен. Шапероны оказывают критически важную услугу, помогая белкам сворачиваться в условиях стресса (при более высоких температурах), но их работа - это ограниченный ресурс, которым пользуются все белки в клетке. Помощь в свертывании одного белка означает, что шаперон не может помочь свернуться другим белкам - ограничение, которое влияет на структурную целостность остальных белков клетки. Исследователи объяснили, что это также истощает доступные ресурсы синтеза белка, устанавливая строгие трансляционные ограничения для всех белков.
«Используя расчеты из первых принципов, мы можем получить глубокое понимание того, как множественные события свертывания белков, регуляция шаперонов и другие внутриклеточные реакции работают вместе, чтобы позволить клетке реагировать на экологические и генетические стрессы», - сказал Чен.
«Стоит отметить, что мы знаем, что адаптация к химическому стрессу и изменению питательных веществ обычно требует лишь нескольких мутаций, в то время как адаптация к температурному стрессу намного сложнее и, по прогнозам, потребует большого количества мутаций», - Палссон. добавлено.
Следующие шаги включают экспериментальные испытания модели, направленные на изучение того, как бактерии адаптируются к более высоким температурам. Команда также планирует изучить процессы адаптации других болезнетворных бактерий, таких как вызывающие диарею E. coli, M. tuberculosis и стафилококки, в условиях стресса, который имитирует условия их естественной среды обитания.