Новое исследование ученых из Университета Райса проливает свет на то, как вирусы обеспечивают свое выживание, точно определяя время выпуска новых вирусов. Открытие предлагает новую теоретическую основу для понимания этих динамических биологических явлений.
Исследование, опубликованное в журнале Biophysical Journal, также показывает, как некоторые биологические процессы достигают поразительной точности, несмотря на то, что в их основе лежат случайные события.
«Наши результаты дают представление о механизмах, имеющих решающее значение для жизни — от бактерий до человека», — сказал соавтор исследования профессор Анатолий Коломейский.
Ключевым направлением исследовательской группы был клеточный лизис, процесс, посредством которого вирусы заставляют бактериальные клетки разрываться в нужный момент, чтобы выпустить новые вирусы. Этот точный расчет времени, необходимый для репликации вирусов, озадачивал ученых на протяжении многих лет.
Исследовательская группа выдвинула гипотезу, что эта точность является результатом взаимодействия двух случайных процессов: накопления белков холина или небольших мембранных белков, кодируемых фагами, которые проникают через мембрану хозяина в запрограммированное время, и разрушения клеточной мембраны.
Исследователи предположили, что случайно определяемая связь между этими биофизическими и биохимическими процессами приводит к подавлению шума, обеспечивая точную синхронизацию.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи разработали математическую модель для анализа динамики белков холина. Они сравнили свои расчеты с экспериментальными данными нормальных и мутировавших вирусов, изучая, как эти белки накапливаются и вызывают разрыв клеток.
Их анализ показал, что точный расчет времени достигается путем максимизации количества холинов в мембране при сохранении узкого распределения. Этот баланс гарантирует, что лизис клеток произойдет в оптимальный момент, несмотря на лежащую в основе случайность вовлеченных процессов.
«Предыдущие исследования не изучали это специфическое взаимодействие между накоплением белка и разрывом клеток, что делает выводы группы особенно значимыми», — сказал Коломейский.
Теоретические прогнозы исследователей тесно связаны с экспериментальными наблюдениями за вирусами дикого типа и мутировавшими. Они обнаружили, что вирусы дикого типа достигают точного времени , балансируя вход и выход белков холина в мембране, тогда как мутировавшие вирусы не могут поддерживать этот баланс.
Исследование также подчеркивает, как биологические системы могут достигать точных результатов посредством, казалось бы, хаотичных процессов, и оно дает более широкое представление о том, как можно контролировать другие биологические процессы. Понимая эти механизмы синхронизации, ученые могут узнать больше о фундаментальных жизненных процессах и разработать инновационные способы борьбы с бактериальными инфекциями.
«Исследование также подчеркивает сложный баланс, которого может достичь природа, гарантируя, что жизненно важные процессы происходят с удивительной точностью, даже если на них влияют случайные процессы», — сказал соавтор исследования Анупам Мондал из Центра теоретической биологической физики (CTBP).
«Работа команды — это шаг к лучшему пониманию детальных механизмов лизиса клеток, показывающий, что точность природы часто возникает из взаимодействия случайности и регуляции», — сказал Мондал.
