«Высокая размерность и шум — неотъемлемые свойства больших внутриклеточных сетей», — сказал Адилсон Э. Моттер, профессор физики и астрономии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета. «И то, и другое долгое время считалось препятствием на пути рационального контроля клеточного поведения».Моттер и его сотрудники из Northwestern бросили вызов и пересмотрели это давнее убеждение. Используя недавно разработанный вычислительный алгоритм, они показали, что этой случайностью внутри и между клетками, называемой «шумом», можно управлять для управления сетями, которые управляют работой живых клеток, что способствует здоровью клеток и потенциально облегчает такие заболевания, как рак.
Исследование, проведенное при поддержке Центра физической науки и онкологии Национального института рака на Северо-Западе и Национального научного фонда, описано в выпуске журнала Physical Review X. Motter от 16 сентября и Уильяма Л. Кат, профессора технических наук и прикладной математики, являются соавторами статьи. Дэниел К. Уэллс, аспирант по прикладной математике, является первым автором статьи.«Шум относится к случайным аспектам поведения клеток, особенно к регуляции генов», — сказал Уэллс. «Регулирование генов не похоже на железнодорожную станцию, где белки, регулирующие экспрессию генов, доставляются через регулярные промежутки времени, включают или выключают ген, а затем отправляют их.
Вместо этого экспрессия генов постоянно и случайным образом изменяется».Используя шум, команда обнаружила, что многомерную динамику регуляции генов можно контролировать, управляя гораздо меньшей и более простой сетью, называемой «сетью переходов между состояниями».
В этой сети клетки случайным образом переходят из одного фенотипического состояния в другое — иногда из состояний, представляющих фенотип здоровых клеток, в нездоровые состояния, при которых условия потенциально являются злокачественными. Пути перехода между этими состояниями можно предсказать, поскольку клетки, совершающие один и тот же переход, обычно будут перемещаться по сходным путям в своей экспрессии генов.Команда сравнивает это явление с формированием траекторий в университетском городке. Если между парой зданий нет мощеной дороги, люди обычно выбирают путь, по которому легче всего идти, топая по траве, чтобы обнажить грязь под ней.
В конце концов, планировщики кампуса могут увидеть этот заранее определенный путь и проложить его.Точно так же при первоначальном анализе сети регуляции генов команда сначала использовала шум, чтобы определить наиболее вероятный путь перехода между различными состояниями системы, и соединила эти пути в сеть переходов состояний.
Поступая таким образом, исследователи могли сосредоточиться только на одном пути между любыми двумя состояниями, сводя многомерную систему к серии одномерных взаимосвязанных путей.«Даже в таких сложных и многомерных системах, как регуляторная сеть генов, обычно существует только один лучший путь, по которому шумный переход будет следовать из одного состояния в другое», — сказала Кэт. «Можно подумать, что возможно множество разных путей, но это неправда: один путь намного лучше, чем все другие».Затем команда разработала вычислительный подход, который может определить оптимальные модификации экспериментально регулируемых параметров, таких как скорость активации белков, для стимулирования желаемых переходов между различными состояниями. Этот метод идеально подходит для экспериментальных реализаций, поскольку он изменяет реакцию системы на шум, а не сам шум, который практически невозможно контролировать.
«Шум чрезвычайно важен для систем», — сказал Уэллс. «Вместо того, чтобы напрямую управлять ячейкой для перехода из плохого состояния в хорошее, что сложно, мы просто упрощаем шуму, чтобы сделать это сам по себе. другие грунтовые — люди, выходящие из здания, с большей вероятностью пойдут по асфальтированной дороге и, таким образом, предпочтут оказаться там, где идет эта дорожка ».Хотя текущее исследование является теоретическим и сосредоточено на биологических сетях, команда утверждает, что эту стратегию можно использовать для других сложных сетей, где присутствует шум, например, в пищевых цепях и электрических сетях, и потенциально может использоваться для предотвращения внезапных переходов в этих системах. , которые приводят к коллапсу экосистемы и сбоям в электросети.