Το βιολογικό κύτταρο ως χημικός αισθητήρας – επιστήμονες δημιούργησαν ένα πιο εκλεπτυσμένο μοντέλο

Τα βιολογικά κύτταρα αισθάνονται τη χημεία του περιβάλλοντός τους με την ανίχνευση ορισμένων μορίων που συνδέονται με (δεσμεύονται από) τους υποδοχείς στις επιφάνειές τους. Συμβατικά, οι ερευνητές έχουν διερευνήσει αυτή την ικανότητα με βασική υπόθεση ότι οι χημικές συγκεντρώσεις είναι σταθερές, όμως αυτή η υπόθεση δεν αντανακλά τα ταχέως κυμαινόμενα περιβάλλοντα που τυπικά βρίσκονται στα βιολογικά συστήματα. Τώρα, ο Thierry Mora, του Πανεπιστημίου της Σορβόννης, στη Γαλλία και ο Ilya Nemenman του Πανεπιστημίου Emory στην Georgia, έχουν αναπτύξει ένα μαθηματικό μοντέλο για να παραγάγουν το βασικό (θεμελιώδες) όριο για την ευαισθησία ενός κυττάρου κάτω από περισσότερο ρεαλιστικές συνθήκες.

Το μοντέλο των ερευνητών περιγράφει το χημικό περιβάλλον ενός κυττάρου υπό όρους ενός τυχαία μεταβαλλόμενου αριθμητικού πεδίου – μια διατύπωση που τους επιτρέπει να εφαρμόσουν τεχνικές από τη θεωρία πεδίου, οι οποίες χρησιμοποιούνται συνήθως για να λυθούν προβλήματα στην κβαντική και στατιστική φυσική. Το μοντέλο προβλέπει την πιθανότητα ενός μορίου να συνδεθεί με το κύτταρο μέσα σε μια δεδομένη χρονική περίοδο, επιτρέποντας τους ερευνητές να παραγάγουν τη μικρότερη κλασματική διακύμανση στην ανιχνεύσιμη από το κύτταρο συγκέντρωση. Καθώς είτε η ολική βιοχημική συγκέντρωση είτε ο ρυθμός σύνδεσης του υποδοχέα αυξάνουν, το κύτταρο μπορεί να αισθάνεται μικρότερες κλασματικές διακυμάνσεις στη συγκέντρωση. Ενώ το συμβατικό μοντέλο ενός κυττάρου σε ένα ιδεατό, σταθερό περιβάλλον προβλέπει ότι η ευαισθησία σχετίζεται με την συγκέντρωση και το ρυθμό σύνδεσης με έναν νόμο με εκθέτη 1/2, το νέο μοντέλο έχει την ευαισθησία να αυξάνει πιο αργά με τη συγκέντρωση και το ρυθμό σύνδεσης, να υπακούουν σε ένα νόμο με εκθέτη 1/4.

Οι ερευνητές εφάρμοσαν το μοντέλο σε ένα κοινό βιολογικό σενάριο κατά το οποίο περιβαλλοντικές χημικές ουσίες συνδεόμενες σε υποδοχείς ενός κυττάρου οδηγούν σε ένα δίκτυο σημάτων μέσα στο κύτταρο. Βρήκαν ότι η προσομοιωμένη ικανότητα του κυττάρου να ανιχνεύσει το μόριο συμφώνησε με το παραγόμενο από αυτούς βασικό όριο. Το απλοποιημένο πλαίσιο της ομάδας θα μπορούσε να φωτίσει τη δυναμική των πραγματικών βιολογικών συστημάτων, όπως μικροοργανισμοί που κινούνται μέσω ενός πολύπλοκου μικροβιακού τοπίου ή κύτταρα που αναπτύσσονται ταχέως σε ένα έμβρυο φρουτόμυγας.