Группа ученых из Кембриджа, работающая над пересечением биологии и вычислений, обнаружила, что случайная активность генов способствует формированию паттернов во время развития модельной многоклеточной системы.
Все мы начинаем жизнь как одна клетка, которая размножается и развивается в специализированные клетки, выполняющие разные функции. Этот сложный процесс зависит от точного контроля, но эти новые данные свидетельствуют о том, что случайные процессы также способствуют формированию паттернов.
В исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications, ученые из команды Джеймса Локка из лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета и сотрудники Microsoft Research описывают свое открытие удивительного порядка в случайности при изучении бактериальных биопленок.
Биопленка развивается, когда свободноживущие одноклеточные бактерии прикрепляются к поверхности и собираются вместе, чтобы начать размножаться и распространяться по поверхности. Эти размножающиеся отдельные клетки созревают, образуя трехмерную структуру, которая действует как многоклеточный организм.
И хотя отдельные клетки могут выживать сами по себе, эти бактерии предпочитают работать вместе с биопленками, которые являются доминирующей формой в природе. Консорциум биопленок предоставляет бактериям различные преимущества для выживания, такие как повышенная устойчивость к стрессам окружающей среды.
Исследователи разработали новый метод покадровой микроскопии, чтобы отслеживать, как генетически идентичные отдельные клетки ведут себя по мере развития живой биопленки.
Д-р Евгений Надеждин, соавтор исследования, сказал: «Мы изучили, как клетки решают взять на себя определенные роли в биопленке. Мы обнаружили, что на поверхности биопленки часто присутствуют два разных типа клеток - клетки, образующие спящие споры, и те, которые продолжают расти и активируют защитные реакции на стресс. Эти два типа ячеек взаимоисключающие, но они оба могут существовать в одном и том же месте."
Они сосредоточились на получении подробной картины того, как экспрессия генов (будь то гены активны или неактивны) изменяется с течением времени для отдельных типов клеток, особенно на экспрессии регуляторного фактора, называемого sigmaB, который способствует реакции на стресс и ингибирует образование спор. Они обнаружили, что sigmaB случайным образом включается и выключается в клетках с часовыми интервалами, создавая видимую структуру спорулирующих и защищенных от стресса клеток по всей биопленке.
Чтобы понять последствия пульсации, исследователи создали математическую модель систем реакции на стресс и спорообразования, контролируемых sigmaB.
Д-р Найл Мерфи, соавтор исследования, сказал: «Моделирование показало, что случайное пульсирование означает, что в любой момент только часть клеток будет иметь высокую активность sigmaB и активацию пути стресса, позволяя остальным клеток выбрать для развития спор. Хотя пульсация носит случайный характер, с помощью простой математической модели мы смогли показать, что усиление экспрессии гена приводит к смещению паттернов между различными областями биопленки».
Результаты демонстрируют, как случайная пульсация экспрессии генов может играть ключевую роль в установлении пространственных структур во время развития биопленки.
Д-р Локк сказал: «Эта случайность, по-видимому, контролирует распределение состояний клеток внутри популяции - в данном случае биопленки. Информация, полученная в результате этой работы, может быть использована для создания синтетических генных цепей для создания паттернов в мультиплексах. Вместо цепей, нуждающихся в механизме управления судьбой каждой клетки в отдельности, можно использовать шум для случайного распределения альтернативных задач между соседними ячейками».