NatCom: найден способ подавлять случайные колебания процессов внутри клеток

Даже после успешного лечения рак может возвращаться, а часть бактерий — выживать после приема сильных антибиотиков. Одной из ключевых причин этого явления ученые считают так называемый "биологический шум" — случайные колебания процессов внутри клеток. Новое теоретическое исследование показало, что этот шум можно не просто учитывать, но и целенаправленно подавлять, управляя судьбой отдельных клеток с высокой точностью. Работа опубликована в журнале Nature Communications (NatCom).

Даже клетки с одинаковыми генами производят разное количество белков. Именно такие "выбивающиеся" клетки нередко переживают терапию и становятся источником рецидивов или лекарственной устойчивости. До сих пор биология умела контролировать лишь средние показатели в популяции клеток, но не разброс между ними.

"Мы сравниваем это с душем, в котором средняя температура воды нормальная, но она постоянно скачет между кипятком и ледяной водой. Пользоваться таким душем невозможно", — пояснил руководитель исследования Чэ Кен Ким. По его словам, именно "ловушка среднего значения" позволяет небольшой части клеток ускользать от лечения.

Исследователи предложили математическую модель так называемого контроллера шума. В ее основе лежит сочетание двух принципов: реакций, чувствительных к колебаниям внутри клетки, и механизмов, которые быстро разрушают избыточные белки. В результате удалось теоретически реализовать режим "устойчивой адаптации к шуму", при котором уровень случайных колебаний остается постоянным даже при изменении внешних условий.

Модель проверили на виртуальной системе репарации ДНК у кишечной палочки. В обычных условиях из-за сильного разброса уровней защитных белков около 20% клеток погибали. После внедрения контроллера шума смертность снизилась до 7%, поскольку все клетки получили сопоставимый уровень защиты.

"Главное достижение в том, что клеточный шум, который раньше считался вопросом случайности или удачи, стал управляемым фактором", — отметил Чэ Кен Ким. По его словам, это может сыграть важную роль в преодолении устойчивости опухолей к терапии и в создании "умных" микроорганизмов с заданными свойствами.

Соавтор исследования Чжинсу Ким добавил, что работа наглядно демонстрирует силу математического моделирования: "Мы начали с теоретического описания внутриклеточного шума и дошли до проектирования конкретных биологических механизмов".

Авторы считают, что их подход открывает путь к по-настоящему точному управлению поведением отдельных клеток, что может изменить подходы к лечению рака и развитию синтетической биологии.