Как могут десятки тысяч людей на большом футбольном стадионе хлопать в ладоши под один и тот же ритм, даже если они слышат аплодисменты только окружающих?
На этот вопрос отвечает сочетание уравнения в частных производных и синтетической схемы в микробах. Междисциплинарная совместная группа, состоящая из профессора Джэ Кьюнг Кима из KAIST, профессора Кресимира Джосича из Университета Хьюстона и профессора Мэтта Беннета из Университета Райса, определила, как большое сообщество может общаться друг с другом почти одновременно, даже при передаче сигналов на очень короткие расстояния. Об исследовании сообщается в журнале Nature Chemical Biology.
Клетки часто общаются с помощью сигнальных молекул, которые могут перемещаться только на короткие расстояния. Тем не менее, клетки также могут общаться на больших расстояниях, чтобы стимулировать коллективные действия. Команда обнаружила механизм клеточной коммуникации, который быстро формирует сеть локальных взаимодействий, чтобы стимулировать коллективные действия даже в больших сообществах.
Исследовательская группа использовала сконструированную схему транскрипции, состоящую из комбинированных петель положительной и отрицательной обратной связи в E. coli, которая может периодически высвобождать два типа сигнальных молекул: активатор и репрессор. Поскольку сигнальные молекулы перемещаются на небольшое расстояние, клетки могут общаться только со своими ближайшими соседями. Однако клеточные сообщества синхронизируют колебательную экспрессию генов в пространственно протяженных системах до тех пор, пока цепь транскрипции содержит петлю положительной обратной связи для активатора.
Профессор Ким сказал, что анализировать и понимать такую многомерную динамику чрезвычайно сложно. Он объяснил: «Вот почему мы использовали многомерное уравнение в частных производных для описания системы, основанной на взаимодействии между различными типами молекул». Удивительно, но математическая модель точно имитирует синтез сигнальных молекул в клетке, их пространственную диффузию по камере и их влияние на соседние клетки.
Команда упростила многомерную систему до одномерной орбиты, отметив, что система периодически повторяется. Это позволило им обнаружить, что клетки могут издавать один голос, когда они понижают собственный голос и слушают другие. «Оказывается, петля положительной обратной связи уменьшает расстояние между движущимися точками и, в конце концов, заставляет их двигаться все вместе. Вот почему вы хлопаете громче, когда слышите аплодисменты ближайших соседей, и все в конечном итоге хлопают почти одновременно», - сказал профессор Ким.
Профессор Ким добавил: «Математика - это мощное средство, поскольку она упрощает сложные вещи, так что мы можем найти существенное основное свойство. Это открытие было бы невозможно без упрощения сложных систем с использованием математики».
Национальные институты здравоохранения, Национальный научный фонд, Фонд Роберта А. Уэлча, Фонд Хэмилла, Национальный исследовательский фонд Кореи и Фонд Т. Дж. Научное сообщество Park Science Fellowship POSCO поддержало исследование.