Фаготерапия, которая использует способность определенных вирусов инфицировать и размножаться внутри бактерий, обещает лечение устойчивых к антибиотикам бактериальных инфекций.
Но разработка такой терапии зависит от четкого понимания того, как фаги выполняют свою работу.
«Фаги могут убить клетку немедленно, или они могут перейти в спящее состояние и убить ее позже», - говорит Абхьюдай Сингх, доцент кафедры электротехники в Университете Делавэра.
"Данные показывают высокий уровень точности времени убийства", добавляет он. «Вирусу требуется около часа, чтобы завершить процесс, но остаются вопросы о том, как клетки контролируют эту точность во времени».
Сингх и Джон Деннехи из Квинс-колледжа и Центра выпускников Городского университета Нью-Йорка совместно провели исследование, чтобы пролить свет на молекулярную основу этого процесса.
Их выводы изложены в статье «Подход первого прохода к контролю шума во времени внутриклеточных событий», опубликованной онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences 9 января.
Сингх и докторант Кем Радж Гусинга внесли теоретический вклад, а Деннехи предоставил биологическую основу для работы, которая имеет важное значение для медицины.
«Проблема в том, что, хотя в этом процессе есть общая точность, ему также присуща случайность от ячейки к ячейке», - говорит Сингх.«Таким образом, наша математическая модель - это, по сути, структура или модельная система, которая упорядочивает эту случайность и дает общие биологические идеи, которые можно применять в лаборатории».
Он объясняет, что белки, называемые холинами, необходимы для лизиса или разрушения клетки. Они накапливаются на клеточной мембране, достигают критического порога, а затем образуют отверстия, разрывающие клетку и высвобождающие «детей» фагов. Но тот же ген, который экспрессирует холин, также экспрессирует другой белок, называемый антихолином.
«Любопытно, что природа создала две версии белка, которые компенсируют друг друга», - говорит Сингх. «Но оказывается, что именно антихолин делает время точным. Если мы удалим антихолин, вариации процесса возрастут».
Сингх говорит, что формулы, разработанные в ходе работы, дают парадоксальное представление о регулирующих механизмах, необходимых для планирования события в точное время с минимальными колебаниями.
«Хотя мы ожидали, что обратная связь будет важной частью запускающего механизма, оказалось, что регуляция с отрицательной обратной связью может на самом деле усиливать шум или путаницу во времени событий», - говорит он. «Поэтому в некоторых случаях, например, в нашей работе по лизису бактериофагов, точность во времени достигается вообще без обратной связи».
"Мы считаем, что аналитические результаты и идеи, которые мы получили в этой работе, имеют более широкое значение для феномена синхронизации в химической кинетике, экологическом моделировании и статистической физике."