2020-03-27 00:17:01
模型确定细胞采用哪些技术来提高灵敏度

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人体检测疾病,异物以及食物来源和毒素的位置的能力,都取决于包围细胞的一系列化学物质,以及细胞“读取”这些化学物质的能力。细胞高度敏感。实际上,仅存在一个外来分子或离子就可以触发免疫系统。但是研究人员不知道细胞如何达到这种水平的敏感性。

现在,冲绳科技大学研究生院(OIST)的生物物理理论小组的科学家和纽约城市大学的合作者创建了一个简单的模型,该模型可以提供一些答案。他们已经使用该模型来确定细胞在不同情况下可以采用哪些技术来提高其敏感性,从而阐明我们体内生化网络的运作方式。

OIST前博士后研究员,该研究论文的第一作者Vudtiwat Ngampruetikorn博士说:“该模型采用了复杂的生物系统,并将其抽象为一个简单易懂的数学框架。” “我们可以用它来弄清楚细胞可能如何选择花费其能量预算,这取决于它们周围的世界以及与之交谈的其他细胞。”

通过为这个生物学问题引入定量工具包,科学家发现他们与生物学家有着不同的看法。该部门的负责人格雷格·斯蒂芬斯教授说:“这两个学科是相辅相成的。” “生物学家倾向于专注于一个领域并深入研究细节,而物理学家则简化并寻找整个系统的模式。重要的是,我们必须密切合作,以确保我们的定量模型不太抽象,并包括重要的细节。 。”

科学家们创造了一个代表细胞的计算机模型。该单元有两个传感器(或信息处理单元),它们对单元外部的环境作出响应。传感器可以从外部与分子或离子结合,也可以不结合。当细胞外化学混合物中的分子或离子的数量发生变化时,传感器将做出响应,并根据这些变化而与新的分子或离子结合,或解除结合。这使细胞能够获得有关外界的信息,从而使科学家能够测量可能影响其敏感性的物质。

Ngampruetikorn博士说:“一旦有了模型,我们就可以测试各种问题,例如,如果让细胞消耗更多的能量,电池是否会更敏感?或者让两个传感器协同工作?细胞的先前经历会影响其敏感性吗?”

科学家们研究了是否允许细胞消耗能量并允许两个传感器相互作用可以帮助细胞达到更高的灵敏度。他们还决定更改其他两个组件,以查看是否有影响:噪声水平(指的是化学混合物中的不确定性或不必要的信息的数量)和先验信号(指的是获得的细胞知识)从过去的经验。

先前的研究发现能量消耗和传感器相互作用对于细胞敏感性很重要,但是这项研究发现并非总是如此。在某些情况下(例如,化学混合物的噪音较低且不同化学物质之间的相关性很高),科学家发现,允许细胞消耗能量并且传感器进行交互确实有助于其达到更高的灵敏度。但是,在其他情况下(例如,如果存在更高的噪声水平),情况并非如此。

斯蒂芬斯教授解释说:“这就像调入收音机一样。” “如果有太多的静电(或噪声),打开收音机(或在这种情况下,通过能量和相互作用放大信号)没有任何好处。”

尽管如此,Ngampruetikorn博士解释说,在许多情况下,能耗和传感器交互作用仍然是重要的机制。他说:“继续使用该模型来确定确切的能量消耗如何影响细胞的敏感性将很有趣。” “在什么情况下它最有价值。”

尽管科学家决定专门研究细胞如何对周围环境做出反应,但他们强调,可以使用其模型的一般框架来阐明整个生物世界的传感策略。 Stephens教授解释说,尽管要花大量精力来描述孤立的单个系统,但寻找共同原理的工作却要少得多。 “如果我们能找到这些原则,那么它将使我们重新认识生物系统如何运作,从细胞通讯和大脑到动物行为和社会互动。”

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