Как домовладелец, готовящийся к урагану, бактерия Bacillus subtilis использует длинный контрольный список, чтобы подготовиться к выживанию в трудные времена. В новом исследовании ученые из Университета Райса и Университета Хьюстона обнаружили сложный механизм, который позволяет B. subtilis начинать готовиться к выживанию, даже если это задерживает окончательное решение о том, «опуститься» и уйти в отвержденную спор.
Новое исследование вычислительных биологов Райса и экспериментальных биологов из Университета Хьюстона доступно в Интернете в Трудах Национальной академии наук.
Программа экспрессии гена, которую использует B. subtilis для формирования спор, включает в себя сотни генов », – сказал Олег Игошин, ведущий научный сотрудник по изучению и профессор биоинженерии в Райсе. «Многие из этих генов известны и изучались на протяжении десятилетий, но точный механизм, который использует Б. subtilis для принятия решения о возникновении споры, остается загадкой».
B. subtilis – обычная почвенная бактерия, которая образует спор, когда пища заканчивается. Формирование споры приводит к резким изменениям. Сначала ячейка асимметрично делит внутри своей внешней стенки, образуя одну большую камеру и одну маленькую. По мере развития споры одна камера огибает другую, которая становится хранилищем для ДНК организма и небольшим набором белков, которые могут «перезагружать» организм, когда он чувствует, что внешние условия улучшились.
B. subtilis безопасен для людей, но некоторые опасные бактерии, такие как сибирская язва, также образуют споры. Ученые стремятся лучше понять этот процесс как для защиты общественного здоровья, так и для изучения эволюции сложных генетических процессов.
Во время спорообразования ученые знают, что бактерия направляет свою энергию в производство белков, которые помогают подготовить клетку к возникновению споры. Многие из этих спорообразующих белков требуются в определенном последовательном порядке, а некоторые из них являются «главными регуляторами», белки, которые инициируют и контролируют целые подпрограммы программы формирования споры.
«Споруляция – сложный и таинственный процесс», – сказал Игошин. «Например, некоторые клетки предпочитают превращаться в споры, а другие – нет, даже если они подвергаются воздействию одних и тех же условий. Еще более интригующим является тот факт, что некоторые клетки начинают процесс преобразования в споры только для того, чтобы вернуться и вернуться к нормальному поведению ».
Чтобы расшифровать то, как Б. subtilis решает сформировать спор, ученик-студент Igoshin и Rice Jatin Narula создал набор сложных компьютерных моделей, которые воссоздали генетический контроль организма. Результаты компьютерной модели сравнивались и уточнялись на основе экспериментальных наблюдений UH’s Masaya Fujitaand Seram Devi.
«Главный регулятор Spo0A отвечает за то, чтобы начать процесс спорообразования, и наша первоначальная гипотеза заключалась в том, что это был ключевой игрок, вовлеченный в решение стать спорным», – сказал Игошин. «Мы обнаружили, что процесс принятия решений был значительно более сложным».
Обработка сигналов у бактерий сложна, потому что количество информации, которую их сеть может получать и обрабатывать, связано с количеством молекул внутри клеток. Таким образом, крошечный размер бактериальной клетки приводит к очень шумным сигналам. Эта проблема сродни проблеме, с которой сталкивается политический опросник, пытаясь предсказать результаты национальных выборов на основе интервью с участием всего 50 избирателей.
«Это проблема статистической выборки», – сказал Игошин. «Поскольку бактериальная клетка мала, гены главного регулятора должны бороться с очень шумными сигналами. Одним из способов преодоления проблемы является усреднение сигналов в течение длительного периода времени. Мы изучили ли сделали Б. Сенная это при принятии решения о формировании спор, но мы обнаружили, что если ячейка ждала четкого сигнала, он не может завершить сложную спорообразующие программу, прежде чем она будет умереть «.
Вместо этого клетка начинает процесс спорообразования и начинает готовиться, даже когда она продолжает выполнять свою статистическую выборку. Авторы статьи обнаружили, что ключом к этому процессу является серия вложенных «прямых» циклов – сетевых мотивов, в которых один главный регулятор контролирует другой, напрямую регулируя его количество и косвенно регулируя его деятельность.
«Ячейки имеют гениальную стратегию, которая позволяет им менять свой разум и обрабатывать информацию во время выполнения программы», – сказал Нарула. «Эта стратегия позволяет им принимать точные решения, не откладывая их решение, чтобы усреднить шумные сигналы».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Медицинским институтом Говарда Хьюза. Компьютерное моделирование было выполнено на двух суперкомпьютерах RIS, финансируемых NSF – STIC и DAVinCI, которые совместно управляются и управляются Институтом информационных технологий Кена Кеннеди в Рисе и Департаментом информационных технологий Райса.