Неоптимальная обработка информации замедлила хемотаксис кишечной палочки
Биофизики из США обнаружили, что кишечной палочке достаточно менее одного бита информации о концентрации аттрактанта в среде, чтобы начать двигаться по направлению роста его концентрации. Однако, поскольку часть этой информации оказывается нерелевантной для подъема по градиенту вещества, а часть теряется при изменении поведения, дрейфовая скорость бактерии приблизительно в два раза меньше теоретического предела. Таким образом несовершенный процесс сбора и переноса информации ограничивает эффективность хемотаксиса кишечной палочки, пишут ученые в Nature Physics.
Хемотаксис кишечной палочки Escherichia coli — движение по направлению увеличения концентрации питательных веществ (аттрактантов) и уменьшения концентрации токсинов (репеллентов) — наиболее простой пример реакции живого организма на внешнюю информацию. Достигается такое поведение изменением активности киназы CheA в бактерии. Задача этого белка заключается в том, чтобы регулярно переключать движение жгутиков с вращения против часовой стрелки (обеспечивает прямолинейное движение) на вращение по часовой стрелке, в результате чего бактерия кувыркается на месте и меняет направление. В ходе такого произвольного движения хеморецепторы бактерии считывают информацию о концентрации аттрактантов и репеллентов в среде, а обратимое метилирование рецепторов с участием других белков создают подобие памяти об изменении концентрации (далее будем называть просто сигналом). Если бактерия движется по направлению роста концентрации аттрактанта (или уменьшения концентрации репеллента), CheA увеличивает длительность прямолинейного движения, заставляя организм в среднем двигаться в нужном направлении.
Ученые давно используют теорию информации для изучения переноса информации в различных биологических системах, оценивая максимальное количество информации о внешних сигналах, которое система способна получать и передавать. Однако большой поток информации еще не означает высокую эффективность в выполнении той или иной задачи: не вся полученная извне информация полезна, равно как и не вся она используется организмом. И хотя хемотаксис кишечной палочки хорошо изучен учеными, до недавнего времени не было известно, как много информации о среде получает клетка и как шумы при обработке информации отражаются на ее эффективности.
Группа биофизиков из США под руководством Генри Маттингли (Henry Mattingly) из Йельского университета решила выяснить, как информация о химических соединениях в среде ограничивает эффективность хемотаксиса кишечной палочки. Для этого ученым сначала понадобилось установить максимальную скорость, с которой бактерия поднимается по направлению роста концентрации аттрактанта, в зависимости от скорости передачи информации от сигнала к CheA. Затем было необходимо оценить, как далеко от этой границы находится скорость настоящей кишечной палочки.
На первом этапе исследования ученые создали математическую модель навигации E. coli в небольших градиентах аттрактанта. В качестве меры скорости передачи информации биофизики использовали изменение энтропии переноса между сигналом и активностью киназы (представляет собой изменение статистического влияния сигнала на киназу). Проанализировав скорость дрейфа модельной бактерии по направлению роста концентрации вещества ученые обнаружили, что оптимальная реакция клетки должна зависеть от быстроты изменения логарифма концентрации в текущий момент. Но реальная бактерия не способна мгновенно сделать вывод об изменении концентрации (особенно, если градиент в разы больше длины бактерии), для этого ей необходимо собирать информацию конечное время, так что на итоговое поведение может повлиять нерелевантная информация из прошлого. Другое препятствие на пути к оптимальному движению — это потеря части важной информации при ее передаче жгутикам. В связи с этим дрейфовая скорость бактерии всегда будет ниже таковой для идеальной бактерии, которая определяется скоростью передачи информации. Из этого ученые заключают, что информационный поток ограничивает эффективность хемотаксиса.
На втором этапе ученые изучали лабораторный штамм E. coli в 100-микромольном растворе аттрактора альфа-метиласпартата. Сначала биофизики оценили минимальное количество информации, необходимое бактерии, чтобы плыть вверх по градиенту (как оказалось, организму достаточно сотой доли бита в секунду, чтобы подниматься по градиенту со скоростью, равной шести процентам от скорости прямолинейного движения). Затем ученые измерили скорость передачи информации от сигнала к активности киназы и дрейфовую скорость бактерий в зависимости от величины градиента.
Собрав все необходимые данные, ученые получили значение эффективности E. coli равной 65 процентов для пологих градиентов (в этом случае от значения крутизны градиента не зависит), что означает, что в среднем клетка движется вверх по градиенту аттрактанта со скоростью 65 процентов от максимально возможной скорости из математической модели.
Полученная в начале исследования теоретическая граница эффективности поведения E. coli зависит от параметров поведения бактерии (средний угол поворота при кувыркании и частота, с которой в отсутствие аттрактанта включается режим кувыркания), что указывает на существование фенотипа, которым должна обладать кишечная палочка, чтобы достичь высшей производительности при заданном потоке информации. Ученые пришли к выводу, что для этого бактерия должна кувыркаться в два раза реже, чем лабораторный штамм. Объяснение такой неэффективности лабораторной кишечной палочки может быть в том, что исторически эти бактерии селектировали для передвижения в полутвердом агаре (ранее мы рассказывали о том, что кишечная палочка лучше передвигается в сиропе). Однако, несмотря на неоптимальную для передвижения в жидкостях поведенческую стратегию, лабораторный штамм E. coli эффективно использует биохимическую информацию в CheA.
Кишечная палочка не только хорошо изучена учеными, но и успешно используется в человеческих нуждах. Так, E. coli превратили в фабрику чернил для 3D-печати, а также научили создавать органические вещества из углекислого газа.
Елизавета Чистякова
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.