Стохастическая пульсация экспрессии генов позволяет генерировать пространственные структуры в биопленках Bacillus subtilis

Команда ученых из Кембриджа, работающая над пересечением между биологией и вычислениями, обнаружила, что случайная активность генов помогает формировать паттерны во время разработки модельной многоклеточной системы, — пишет eurekalert.org.

Бактерии, образующие биопленку на пластиковом шарике © Vaughn Cooper, Ph.D.Бактерии, образующие биопленку на пластиковом шарике
© Vaughn Cooper, Ph.D.

Мы все начинаем жизнь с одной клетки, которая размножается и превращается в специализированные клетки, выполняющие различные функции. Этот сложный процесс опирается на точные средства управления на этом пути, но новые результаты показывают, что случайные процессы также способствуют формированию паттернов.

В исследовании ученые из команды Джеймса Локка из Лаборатории Сэйнсбери в Кембриджском университете и сотрудники Microsoft Research описывают открытие удивительного порядка случайностей при изучении бактериальных биопленок.

Биопленка развивается, когда свободно живущие одноклеточные бактерии прикрепляются к поверхности и объединяются, чтобы начать размножаться и распространяться по поверхности. Эти размножающиеся отдельные клетки созревают, образуя трехмерную структуру, которая действует как многоклеточный организм.

И хотя отдельные клетки могут выживать самостоятельно, эти бактерии предпочитают работать вместе с биопленками, являющимися доминирующей формой, встречающейся в природе. Биопленочный консорциум предоставляет бактериям различные преимущества для выживания, такие как повышенная устойчивость к стрессовым факторам окружающей среды.

Исследователи разработали новый метод интервальной микроскопии, чтобы отслеживать, как генетически идентичные отдельные клетки ведут себя при развитии живой биопленки.

Доктор Евгений Надеждин, ведущий автор, сказал:«Мы смотрели на то, как клетки решают взять на себя определенные роли в биопленке. Мы обнаружили, что в поверхности биопленки часто присутствуют два разных типа клеток — которые образуют спящие споры и которые продолжают расти и активируют защитные стрессовые реакции. Эти два типа клеток являются взаимоисключающими, но оба они могут существовать в одном месте».

Ученые сфокусировались на получении подробной картины того, как экспрессия генов (независимо от того, являются ли гены активными или неактивными) со временем изменяется для отдельных типов клеток, в частности, для экспрессии регуляторного фактора, называемого sigmaB, который стимулирует стрессовые реакции и ингибирует образование спор. Они обнаружили, что sigmaB случайным образом включается и выключается в клетках с почасовыми интервалами, генерируя видимый паттерн спорулирующих и защищающих от стресса клеток в биопленке.

Чтобы понять последствия пульсации, исследователи создали математическую модель систем реагирования на стресс и споруляции, управляемых sigmaB.

Доктор Найл Мерфи — ведущий автор, сказал: «Моделирование показало, что случайная пульсация означает, что в любой момент времени только небольшая часть клеток будет иметь высокую активность sigmaB и активацию пути стресса, что позволяет остальным клеткам выбирать развитие спор. Хотя пульсация является случайной, мы смогли показать с помощью простой математической модели, что увеличение экспрессии гена создает характер изменения в различных областях биопленки».

Результаты демонстрируют, как случайная пульсация экспрессии генов может играть ключевую роль в создании пространственных структур во время развития биопленки.

Доктор Локк добавил: «Эта беспорядочность, по-видимому, контролирует распределение клеточных состояний в популяции — в данном случае это биопленка. Выводы, полученные из этой работы, могут быть использованы для разработки синтетических генных цепей для создания паттернов в многоклеточных системах. Схема больше нуждается в этом шуме и хаосе для случайного распределения альтернативных задач между соседними клетками, чем в механизме управления судьбой каждой клетки в отдельности».

Статья опубликована в журнале  Nature Communications
Источник: scientificrussia.ru

Метки , . Закладка постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.