Многие биологические процессы в решающей степени зависят от формирования упорядоченного распределения определенных молекул внутри клеток. Эти паттерны представляют собой самоорганизующиеся структуры, которые предсказуемо развиваются во времени и пространстве.
Возможно, наиболее известным примером формирования внутриклеточного белкового паттерна является молекулярный механизм, который организует регулярное разделение полных хромосомных наборов на две дочерние клетки во время деления клеток. Классическая теория формирования рисунка основана на химических системах, близких к равновесию. Но такие состояния редко встречаются в физических, химических или биологических системах, в которых обычно наблюдается самоорганизованное формирование паттернов. Как правило, обнаруживается, что эти системы очень далеки от равновесия, состояния, поддерживаемого подачей энергии.
Механизмы, создающие и стабилизирующие упорядоченные структуры в этих условиях, плохо изучены. Физики LMU Эрвин Фрей и Якоб Халатек представили новую теоретическую основу, которая может объяснить формирование структуры в неравновесных системах.
Новая теория описана в журнале Nature Physics.Фрей и Халатек сосредоточили свое внимание на динамических системах, которые управляются взаимодействиями с сохранением массы, то есть химическими реакциями. В биологических системах формирование паттерна в первую очередь проявляется в динамическом перераспределении определенных белков.
Во многих из этих систем динамика зависит от изменений в конформациях белковых молекул, которые позволяют им переключаться между состоянием, связанным с мембраной, и состоянием свободной диффузии в растворимой фазе клетки. «То, что мы наблюдаем как белковый паттерн, обычно является определенным пространственным расположением, неоднородной плотностью белка на поверхности мембраны», — говорит Халатек. Формирование паттерна является результатом того факта, что распределение данного белка между мембраной и цитозольной фазой постоянно меняется, хотя его общая концентрация в клетке остается постоянной. «Однако динамику формирования паттернов в такой сложной и расширенной системе, как биологическая клетка, очень трудно уловить даже при моделировании», — говорит Халатек. «Вот почему мы разделили данные, используемые в нашем моделировании формирования паттернов в больших системах, на решетку из гораздо меньших отсеков, которые связаны друг с другом».
Локальная плотность мембраносвязанных и цитозольных белков определяет химическое равновесие в каждом компартменте, так что изменения в соотношении цитозольных и мембраносвязанных форм белков приводят к сдвигу равновесия. Халатек и Фрей смогли показать, что формирование рисунка является следствием этих сдвигов в локальном химическом равновесии. «Перераспределение белков происходит за счет диффузии. Сама по себе диффузия в конечном итоге приведет к однородному распределению всех видов белков по всему объему клетки», — говорит Халатек. Поэтому для формирования паттерна важно, чтобы в системе поддерживался градиент диффузии, чтобы всегда было возможно перераспределение белков.
По этой причине формирование паттерна в биологических системах зависит от ферментативных реакций, которые изменяют конформации соответствующих белков, например, чтобы они могли связываться с мембраной ».Два физика применили свою новую теорию к системе Min — набору из трех белков палочковидной бактерии Escherichia coli, которые взаимодействуют, создавая самоорганизующийся паттерн, определяющий плоскость расщепления во время деления клетки.
Они наблюдали еще одно следствие динамической дестабилизации локальных равновесий из-за переноса массы — возникновение химической турбулентности. «Эти турбулентности, однако, не приводят к полной потере порядка, как предполагают классические теории», — говорит Фрей. «В нашей концептуальной структуре происходит прямо противоположное. Когда мы дестабилизируем систему, мы наблюдаем, что турбулентность развивается относительно быстро.
Но при дальнейшем возмущении система претерпевает переход, при котором она далека от равновесия, но, тем не менее, явно упорядочена и нестабильна. турбулентный ". Фрей и Халатек сравнивают этот тип поведения с действием кардиостимулятора, который противодействует аритмии, применяя электрические импульсы для восстановления нормального характера проведения импульсов. «Наша модель объясняет, как« кардиостимуляторы »могут возникать в результате самоорганизации в неравновесных системах», — говорит Халатек. Другими словами, мы можем дать четкий ответ на вопрос: какая часть «я» отвечает за «организацию»? Эту роль выполняют нестабильные режимы («режимы управления»), которые изменяют положение и стабильность. локальных равновесий, которые управляют эволюцией системы во времени ».