Даже после успешного исцеления рак может снова появиться, а некоторые бактерии могут выживать после приема мощных антибиотиков.
Одной из основных причин данного явления ученые считают так называемый «биологический шум» — случайные колебания процессов в клетках. Новое теоретическое исследование продемонстрировало, что этот шум можно не только учитывать, но и целенаправленно подавлять, управляя судьбой отдельных клеток с высокой точностью. Работа была опубликована в журнале Nature Communications (NatCom).
Даже клетки с одинаковыми генами вырабатывают различное количество белков. Именно такие «выбивающиеся» клетки часто выживают после терапии и становятся источником рецидивов или лекарственной устойчивости. Ранее биология могла контролировать лишь средние показатели в популяции клеток, но не разброс между ними.
«Мы сравниваем это с душем, в котором средняя температура воды нормальна, но она постоянно колеблется между кипятком и ледяной водой. Пользоваться таким душем невозможно», — пояснил руководитель исследования Чэ Кен Ким. По его словам, именно «ловушка среднего значения» позволяет небольшой группе клеток уклоняться от лечения.
Исследователи предложили математическую модель так называемого контроллера шума. В основе этой модели 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 примерно 20% клеток погибали. После внедрения контроллера шума смертность снизилась до 7%, так как все клетки получили сопоставимый уровень защиты.
«Главное достижение заключается в том, что клеточный шум, который раньше воспринимался как случайный фактор, стал управляемым элементом», — отметил Чэ Кен Ким. По его словам, это может сыграть значительную роль в борьбе с устойчивостью 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 уверены, что их подход открывает путь к действительно точному управлению поведением отдельных клеток, что может изменить подходы к лечению рака и развитию синтетической биологии.
Фото: hi-tech.mail.ru