Wie Zellen Zufällige Biochemische Reaktionen Nutzen
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Anonim

Neue Studien zeigen, wie Zellen die biochemische Zufälligkeit ausnutzen.

So wie eineiige Zwillinge, die im selben Haus aufgezogen werden, oft unterschiedlich aufwachsen, weisen identische Zellen, die in derselben Umgebung gezüchtet werden, häufig unterschiedliche Merkmale auf. Diese Unterschiede sind das Ergebnis zufälliger Schwankungen der biochemischen Reaktionen. Biologen hatten solche biochemischen Blips immer als Verbindlichkeiten angesehen, aber neuere Studien legen nahe, dass Zellen und Bakterien diese Zufälligkeit manchmal zu ihrem Vorteil nutzen.

Kleine Systeme wie Zellen reagieren von Natur aus empfindlich auf zufällige Effekte, die Wissenschaftler als Stochastizität oder Rauschen bezeichnen, da sie nur wenige aktive Kopien einzelner Proteine ​​oder Nukleinsäuren enthalten. Kleinere Schwankungen der Spiegel einiger zellulärer Komponenten beeinflussen beispielsweise, ob sich ein bestimmtes Gen einschaltet und ein Protein bildet. Solches Rauschen scheint darauf hinzudeuten, dass einige Aspekte des Zellschicksals dem Zufall überlassen sind; Der Mangel an Kontrolle zwingt die Zellen dazu, Sicherungspläne zu entwickeln, beispielsweise redundante biochemische Pfade.

Bis vor kurzem hatten Wissenschaftler Probleme, das Phänomen zu untersuchen, da dies die Fähigkeit erfordert, einzelne Zellen und Moleküle zu visualisieren. Durch Mittelung des Verhaltens von Gruppen von Zellen werden die Auswirkungen von Rauschen aufgehoben, ähnlich wie Stoff aus der Ferne makellos aussieht. In den letzten zehn Jahren haben eine Handvoll neuer Werkzeuge, darunter fluoreszierende Marker, die an Moleküle binden und unter Mikroskopen aufleuchten, Wissenschaftlern die Möglichkeit gegeben, Rauschen in Aktion zu sehen. Was Forscher herausfinden, ist überraschend: Zellen scheinen manchmal Rauschen zu verwenden, um in sich ändernden Umgebungen zu überleben und Entscheidungen während der Entwicklung zu treffen. „Normalerweise müssen Lebewesen mit Lärm umgehen, aber manchmal nutzen sie ihn aus“, sagt Richard Losick, Biologe an der Harvard University, der im April einen Artikel über Stochastizität in der Wissenschaft mitverfasst hat.

Zum Beispiel lebt ein Fünftel der Bakterien in Bacillus subtilis-Kolonien in einem speziellen Zustand namens Kompetenz, in dem sie aufhören zu wachsen und DNA aus der Umwelt in ihr Genom einbauen. Ob eine Zelle in diesen Zustand eintritt, wird stochastisch bestimmt, und trotz ihrer Kosten wachsen kompetente Zellen nicht, und die Teilungskompetenz wird als evolutionärer Vorteil angesehen, da sie es einer Kolonie ermöglicht, ihre genetische Werkzeugkiste zu erweitern. Kompetente Zellen sind höchstwahrscheinlich "auf der Suche nach neuen genetischen Sequenzen, die ihre Eignung für veränderte Umstände in der Zukunft verbessern könnten", bemerkt Losick.

Komplexere Organismen nutzen Lärm auch zu ihrem Vorteil. Das Auge der gemeinsamen Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, besteht aus kleineren Einheiten, die jeweils aus acht Zellen bestehen. Wenn sich jede Zelle entwickelt, trifft sie eine Wahl, die durch die Anwesenheit oder Abwesenheit eines regulatorischen Proteins bestimmt wird. Dieses Protein wird nur in einer zufälligen Untergruppe der Zellen aktiv, und sein Auftreten bestimmt, ob die Zelle auf einen bestimmten Farbton von ultraviolettem Licht reagiert. Die zufällige Expression dieses regulatorischen Proteins stellt sicher, dass die beiden Zelltypen zufällig im gesamten Auge verteilt werden, um sich wiederholende Muster zu vermeiden, die das Gesamtsehen der Fliege einschränken könnten. Obwohl sich die Zellen „in einer identischen Umgebung befinden und alle von einem identischen Vorfahren stammen, erwerben sie unterschiedliche Phänotypen“oder physikalische Merkmale, sagt Mads Kaern, Systembiologe an der Universität von Ottawa.

Obwohl Lärm eine wichtige Rolle im Schicksal einer Zelle spielt, bleibt noch viel über die Ursachen dieses Lärms und das Ausmaß, in dem er Zellen und andere Organismen, einschließlich Menschen, betrifft, zu lernen. "Wir kennen einige [Mechanismen], aber es gibt viele Hinweise darauf, dass es Tonnen mehr gibt", bemerkt Edo Kussell, Biophysiker an der New York University. Eine weitere schwierige Aufgabe wird es sein, ihre biologische Relevanz zu entschlüsseln. Zum Beispiel ist es einfach zu spekulieren, warum Bakterien kompetent werden, aber zu beweisen, dass Spekulationen so gut wie unmöglich sind. „Können wir einen Weg finden, um zu demonstrieren, dass ein bestimmter stochastischer Mechanismus wirklich auf die Evolution abgestimmt ist? Wie können wir das abschließend demonstrieren? “Fragt Kussell.

Da sich Wissenschaftler auf das Verhalten einzelner Zellen und Moleküle konzentrieren, tritt auch ein anderes Problem auf: Es wird schwierig, Prozesse zu beobachten, ohne sie zu beeinflussen. "Wir müssen etwas mit der Zelle tun, um sie zu analysieren, und wir wissen nicht wirklich, wie sich diese Manipulationen darauf auswirken", sagt Kaern.

Um Lärm zu verstehen, müssen daher einige technologische Hürden überwunden werden, aber niemand bezweifelt, dass sich das Unternehmen lohnt. Lärm könnte wichtige Auswirkungen auf viele Bereiche haben, einschließlich der Medizin: Wenn Zellen und Bakterien eine Reihe ihrer Entscheidungen stochastisch treffen, müssen Wissenschaftler möglicherweise den Lärm verstehen, um neue Antibiotika zu entwickeln und zellbasierte Behandlungen wie die Stammzelltherapie zu optimieren. „Wir müssen verstehen, wie Rauschen in einem Netzwerkkontext funktioniert. wie es von Organismen verwendet wird “, sagt Kaern. "Es ist ein sehr aufregendes Feld - aber manchmal etwas verwirrend."

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