Шум обычно считается неприятностью, например, когда мы не можем четко слышать, что кто-то говорит. Общее понятие шума применяется в более широком смысле. В биологии физические различия между организмами одного и того же типа, например, между двумя людьми, возникают из-за так называемого шума развития, который в конечном итоге возникает из-за вероятностных столкновений между реагирующими молекулами и условиями окружающей среды в клетках на ранних стадиях роста организма. Как правило, существуют механизмы, препятствующие тому, чтобы биологический шум приводил к неправильному развитию организма.
Макото Сато из Канадзавского университета и его коллеги обнаружили, что определенный биохимический сигнальный путь способствует шумоподавлению в процессе дифференцировки нервных стволовых клеток - самообновляющихся клеток, играющих важную роль в развитии нервной система животных на эмбриональной стадии.
В качестве модельной системы для понимания механизмов подавления биологического шума в многоклеточном организме исследователи рассмотрели конкретную стадию развития зрительной системы у плодовых мушек: распространение так называемой «пронейронной волны» во время какие клетки типа, называемого нейроэпителиальными клетками, дифференцируются в нейробласты (клетки, находящиеся в процессе деления на нейроны).
Вдохновленные более ранними исследованиями, Сато и его коллеги выдвинули гипотезу о том, что сигнальный путь (особая цепь реакций между белками в клетках), известный как JAK/STAT, участвует в шумоподавлении. Ученые объединили математическое моделирование и генетические эксперименты. Для первого они разработали набор математических уравнений, которые количественно определяют изменения в системе и воспроизводят развитие пронейронной волны. При включении передачи сигналов JAK/STAT они обнаружили, что спонтанная, индуцированная шумом дифференцировка нейробластов отменяется.
Чтобы подтвердить эффект передачи сигналов JAK/STAT in vivo, исследователи провели эксперименты, в которых сигнальный путь уменьшался контролируемым образом. При уменьшении наблюдалась стохастическая дифференцировка нейробластов, что согласуется с выводом о том, что JAK/STAT выполняет функцию шумоподавления. Дальнейшие генетические эксперименты предоставили больше информации о том, как происходит шумоподавление с помощью JAK/STAT, и что эта функция может сохраняться на протяжении всей эволюции.
Работа Сато и его коллег не только способствует лучшему пониманию механизмов шумоподавления в биологии развития, но и подчеркивает силу объединения исследований «in silico» с исследованиями «in vivo». Цитируя ученых, «применяя комбинацию математического моделирования и молекулярной генетики, мы можем решить биологические вопросы, которые раньше было трудно решить».