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理解细胞-模型决定细胞采用何种技术来增加敏感性

理解细胞-模型决定细胞采用何种技术来增加敏感性

人体检测疾病、外来物质、食物来源和毒素位置的能力都是由包围细胞的化学物质混合物以及细胞“阅读”这些化学物质的能力决定的。细胞是高度敏感的。事实上,只要有一个外来分子或离子存在,免疫系统就会被激活。然而,研究人员还不知道细胞是如何达到这种程度的敏感性的。

现在,冲绳县理工学院研究生院(OIST)生物物理理论组的科学家和纽约城市大学(City University of New York)的合作者已经创建了一个提供一些答案的简单模型。他们利用这个模型来确定一个细胞在不同的环境下可能会使用哪些技术来提高它的敏感度,从而阐明我们体内的生化网络是如何运作的。

“这个模型把一个复杂的生物系统抽象成一个简单易懂的数学框架,”Vudtiwat Ngampruetikorn博士说,他是OIST的前博士后研究员,也是这篇发表在《自然通讯》杂志上的研究论文的第一作者。“我们可以用它来梳理细胞如何选择消耗能量,这取决于它们周围的世界和它们可能与之对话的其他细胞。”

通过对这个生物学问题的定量分析,科学家们发现他们对生物学家有了不同的看法。“这两个学科是互补的,”该部门负责人格雷格·斯蒂芬斯教授说。生物学家倾向于专注于一个领域并深入钻研细节,而物理学家则简化并寻找整个系统的模式。重要的是,我们要密切合作,以确保我们的定量模型不太抽象,包括重要的细节。”

科学家们建立了一个代表细胞的计算机模型。细胞有两个传感器(或信息处理单元),它们响应细胞外的环境。传感器可以从外部绑定到分子或离子上,也可以不绑定。当细胞外的化学混合物中的分子或离子的数量发生变化时,传感器就会做出反应,根据这些变化,要么与新分子或离子结合,要么解开。这使得细胞能够获得外部世界的信息,从而使科学家能够测量什么会影响它的敏感度。

“一旦我们有了这个模型,我们就可以测试各种各样的问题,”Ngampruetikorn博士说,“例如,如果我们让细胞消耗更多的能量,它会更敏感吗?或者我们让两个传感器合作?细胞先前的经历如何影响它的敏感度?”

科学家们研究了允许细胞消耗能量和允许两个传感器相互作用是否有助于细胞达到更高的灵敏度。他们还决定改变另外两种成分,看看这是否有影响——噪音水平(指化学混合物中不确定或不必要信息的数量)和先前信号(指细胞从过去经验中获得的知识)。

之前的研究发现,能量消耗和传感器的相互作用对细胞的敏感性很重要,但这项研究发现,这并不总是正确的。在某些情况下——例如,如果化学鸡尾酒的噪音较低,而不同化学物质之间的相关性很高——科学家们发现,让细胞消耗能量,让传感器相互作用,确实有助于它达到更高的灵敏度。然而,在其他情况下,比如噪音更高的情况下,情况就不一样了。

斯蒂芬斯教授解释说:“这就像打开收音机一样。”“如果有太多的静电(或噪音),打开收音机(或者,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,能量消耗和传感器交互仍然是重要的机制。他说:“继续使用这个模型来确定能量消耗是如何影响细胞敏感度的,这将是很有趣的。”“在什么情况下它最有价值。”

尽管科学家们决定专门研究细胞如何对周围环境做出反应,但他们强调,他们的模型的总体框架可以用来阐明整个生物世界的传感策略。斯蒂芬斯教授解释说,尽管在刻画孤立的、独立的系统方面投入了大量的努力,但寻找共同原则的工作却少得多。“如果我们能找到这些原理,那么它将会更新我们对生命系统如何运作的理解,从细胞通讯和大脑,到动物行为和社会互动。”

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