Kopia kopii nierówna
Odkryte przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie nowe prawo statystyczne wyjaśnia, dlaczego sklonowany kot wygląda inaczej niż oryginał, a bliźniacy wcale nie są tacy sami.
Prawo to wyjaśnia najprostszy mechanizm, dzięki któremu w rosnącej populacji identycznych genetycznie komórek tworzą się grupy wykonujące różne funkcje. W pewnych warunkach populacja namnażających się komórek spontanicznie dzieli się na dwie grupy o różnych funkcjach.
Odkryty, dzięki obliczeniom i symulacjom komputerowym, mechanizm może tłumaczyć jedno ze źródeł oporności bakterii na antybiotyki oraz wyjaśnić, dlaczego mimo tego samego zestawu genów bliźnięta jednojajowe i organizmy sklonowane nie są swoimi dokładnymi kopiami.
Artykuł opisujący odkrycie ukazał się w prestiżowym piśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences”.
Już w połowie ubiegłego wieku zauważono, że populacja bakterii Escherichia coli może podzielić się na dwie grupy, z których jedna wykazuje ekspresję genu, np. odpowiedzialnego za produkcję enzymu trawiącego określony rodzaj cukru, a w drugiej gen pozostaje nieczynny – choć wszystkie komórki miały to samo DNA i przebywały w tych samych warunkach. Co więcej, mimo braku zmian w zestawie genów, kolejne pokolenia dziedziczyły nowe funkcje.
Efekt ten jest znany, jako bimodalność populacji. Naukowcy z IChF PAN przeprowadzili obliczenia teoretyczne, a następnie sprawdzili je przy pomocy symulacji komputerowych metodą Monte Carlo. Odwzorowano w nich reakcje chemiczne zachodzące w komórce. Informacja genetyczna jest zawarta w DNA, jednak białka są syntetyzowane na podstawie sekwencji informacyjnego RNA (mRNA). Aby wyprodukować białko, trzeba informację przenieść z DNA na mRNA. Proces ten – transkrypcja – jest kontrolowany przez cząsteczki zwane czynnikami transkrypcyjnymi. Cząsteczki te po przyłączeniu do DNA mogą utrudniać odczyt genu (represory) lub go umożliwiać (aktywatory).
„Komórka to worek z cząsteczkami chemicznymi, poruszającymi się przypadkowo wskutek ruchów cieplnych. Po podziale w jednej komórce potomnej może być więcej czynników transkrypcyjnych niż w drugiej” – opisuje dr Anna Ochab-Marcinek z IChF PAN. Przy pomocy symulacji komputerowych badacze analizowali, jak niejednakowa ilość represorów czy aktywatorów wpływa na populację komórek.
Ponieważ liczba cząsteczek określonego typu w danej komórce jest stosunkowo mała, podczas podziałów dochodzi do niejednorodnego ich rozdziału pomiędzy komórki potomne. W czasie wzrostu populacji pojawiają się komórki produkujące znacznie więcej danego białka niż pozostałe lub nieprodukujące go wcale. Zależność między tempem produkcji danego białka a ilością represorów lub aktywatorów w komórce nie jest proporcjonalna. Efekt ten jest zwany nieliniowością. Naukowcy z IChF PAN pokazali, że z powodu nieliniowości w populacji formują się dwie wyraźne grupy: w jednej gen jest aktywny, w drugiej nie.
Podział populacji komórek na dwie grupy ma istotne znaczenie ewolucyjne. Zróżnicowanie zwiększa szansę przeżycia części populacji w przypadku wystąpienia w środowisku zmian niekorzystnych dla jednej z grup – tak jest na przykład z odpornością bakterii na leki.
Naukowcy zaproponowali także prostą konstrukcję geometryczną, przy pomocy, której można przewidzieć, kiedy w danej populacji komórek może dojść do zróżnicowania. Dzięki niej można wyjaśnić na przykład pojawianie się w populacji bimodalności tylko przy pewnych stężeniach antybiotyku.
„Ponieważ odkryty przez nas mechanizm jest najprostszy z możliwych, przypuszczamy, że jest on bardzo powszechny” – mówi dr Marcin Tabaka, współodkrywca zjawiska. Dr Ochab-Marcinek podsumowuje: „Odkryte przez nas prawo statystyczne opisuje, w jaki sposób losowy nieporządek we wnętrzu pojedynczych komórek przekształca się w uporządkowanie prowadzące do korzystnego dla przetrwania populacji różnicowania”.
Zaloguj się Logowanie