Резюме: Как клетката балансира риска и скоростта, когато се дели? Учени са разработили и експериментално са тествали първата математическа теория, която описва най-добрата стратегия на клетката за безопасно и ефективно делене.
Цялата история
Клетките преминават през жизнен цикъл, който включва нарастване до определен размер, снабдявайки се така, че да изпълнят функциите си, и накрая да се разделят на две нови клетки. Жизненият цикъл на клетката е критичен, защото осигурява запазването на клетъчната популация и чрез разширяване на по-голямата структура, от която те са част – например тъкан в тялото.
Самият жизнен цикъл на клетката е строго регулиран спрямо контролни точки, които предотвратяват предаването на грешки като мутации или увреждане на ДНК, което да бъде предадено на следващото поколение от клетки. Всяка контролна точка играе ролята на монитор, отговарящ за контрола на качеството (биологичен „списък за проверка“), който гарантира реда, целостта и верността на жизнения цикъл на клетката. Но контролните точки сами по себе си често се провалят или са преодолявани след продължително спиране на жизнения цикъл на клетката. Ако това се случи в човешкото тяло, резултатът може да бъде нерегулиран клетъчен растеж и делене, което се явява при рак.
„Контролните точки наблюдават клетки или цели организми и могат да спрат или жизнения цикъл на клетката, или развитието на организма, когато открият проблеми“ казва Саханд Джамал Рахи от училището по базови науки на EPFL. „Но ако клетките или организмите са обвързани с грешка за много дълго време, в много случаи те просто продължават да се делят или растат; те не спират завинаги. Има реален риск от смърт, ако контролните точки изобщо не спрат, но също така вечното продължителното чакане на практика е действително еквивалентно на смъртта.“
Математиката на преодоляване на контролната точка
Тогава въпросът е как клетката балансира риска и скоростта при делене? Въпреки че е критично, преодоляването на контролната точка не е много добре изследвано, нито теоретично, нито експериментално. Но в нова статия Рахи и колегите му представят първата математическа теория, която описва процеса на преодоляване на контролните точки. „Много организми трябва да предскажат какво ще се случи“, казва той. „Имате проблем и трябва да прецените колко лош може да бъде този проблем, защото последствията не са сигурни. Може да преживеете това или може да не преживеете това. Така че клетката прави залог и в двата случая. И в това проучване ние анализираме особеностите на този залог.“
За модел от реалния живот на организъм изследователите са разгледали напъпилите дрожди Saccharomyces cerevisiae, които са били използвани във винопроизводството, печенето и пивоварството от векове. „Има системи, които наблюдават организмите и сред тези системи вероятно най-добре проучената е контролната точка за увреждане на ДНК в дрождите“, казва Рахи. “ Така че ние си помислихме, нека да разгледаме това и да видим дали можем да разберем същността на преодоляване на контролните точки. Започнахме с математически анализ, зад който стоеше много прост въпрос: какво ще стане, ако тези организми балансират риска и скоростта, защото трябва да предскажат бъдещето?“
Компромисът риск – скорост
Този компромис между риск и скорост е подобен на системата за контрол на качеството на фабрична поточна линия: колко бързо можете да произвеждате неща без да бъде засегнато качеството? Как се балансират качеството и ефективността? „Хората са мислили за този компромис между риск и скорост за контролните точки и преди, но са мислили за това само качествено“, казва Рахи. „Това не е нещо, което всъщност е анализирано или разгледано сериозно. Така че, предполагам, че можем да претендираме за притежание на идеята!“
Учените изследвали връзката между риска и скоростта. „Теорията се основа на балансиране на различни вероятности, така че ние изчисляваме промяната в способностите, ако изчакаме спрямо това, ако продължим със самовъзпроизвеждане“, казва Рахи. „Организмът трябва да състави стратегия, която включва непрекъснато вземане на решение да изчака или да продължи в зависимост от сериозността на ситуацията, в която е поставен организмът в дадения момент. Разбира се, чакането означава, че ще възпроизвежда все по-малко и по-малко потомство. Така че алтернативата е да поеме риск, такъв, че клетката да се дели и да има вероятност да оцелее или да умре.“ Теорията изчислява кога рискът и скоростта се балансират, определяйки оптималното време. „Резултатът се оказа много просто уравнение“, добавя Рахи.
Въпреки че е разработена за дрожди, теорията се прилага широко за клетките, тъй като взема предвид само риска и скоростта – фактори, които засягат всички организми. „Няма абсолютно съответствие между това, което се случва в дрождите и клетките на бозайниците, тъй като клетките на бозайниците имат други характерни ограничения освен максимално увеличение на собствения си растеж“, казва Рахи.
Раковото измерение
„Но когато клетките станат ракови, те променят своите способности спрямо тези на майчините клетки. И тогава Дарвиновата еволюция предполага, че те трябва да преработят контролните си точки, за да увеличат максимално растежа. Това е нещо, което ни интересува; една от следващите ни стъпки е да видим дали клетките свързват наново техните контролни точки по оптимален начин, след като станат ракови.“
Рахи не очаква, че раковите клетки ще премахнат изцяло системите си за контрол. „Те не се отървават от своите контролни точки, защото тогава поемат твърде голям риск при всяко делене“, казва той. „Липсата на контролни точки в сравнение с времето, когато са били предракови, също не е оптимално, защото веднага, когато възникне проблем, те ще умрат. Така че се интересуваме да разберем дали те също се стремят към това състояние на оптимален баланс, което нашата теория описва.“
Превод: Александра Умленска
Източник на историята: Материали, предоставени от Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Оригинал, написан от Ник Папагеоргиу
Източник на статията: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/05/220512121824.htm
