Физический инструментарий оказался полезен в биологии

Физики из Национальной лаборатории Лоуренса Ливмо нашли новое применение математическим инструментам, обычно используемым в физике, для решения задачи в области биологии.

Исследовательская группа использовала статистическую механику и математическое моделирование, чтобы пролить свет на эпигенетическую память, то есть на способность организма формировать биологическую память о некотором переменном условии, таком как качество пищи или температура.

«Работа выдвигает на первый план междисциплинарную природу современной молекулярной биологии, в частности того как математические и физические инструменты и модели могут помочь разъяснить биологические проблемы», сообщил физик Кен Ким, один из авторов статьи, опубликованной в издании Physical Review Letters.

Не все особенности живых организмов можно объяснить их генами. Эпигенетические процессы с большей чувствительностью реагируют на непосредственную биохимическую среду генов, и далее передают те реакции на следующее поколение.

Работа ученых над динамикой модификации белка гистона является центральной в эпигенетике. Подобно генетическим изменениям, эпигенетические изменения также сохраняются после деления клетки. Белки гистоны ранее считались статичными структурными компонентами хромосом, однако недавние исследования показали, что гистоны играют важную динамическую роль в механизме, ответственном за эпигенетическую регуляцию.

Когда гистоны подвергаются химическим изменениям (гистонная модификация) в результате некоторого внешнего стимула, они запускают краткосрочную биологическую память того стимула в клетке, которая может передаться дочерним клеткам. Эта память, спустя несколько циклов деления клеток, может стать полностью обратимой.

Эпигенетические изменения важны в развитии и функционировании клеток, но также играют ключевую роль в раке, сообщил Цзян Хуа Цинь, профессор из технологического университета Вирджинии. «Например, изменения в эпигеноме могут привести к активации или деактивации сигнальных троп, способных запустить формирование опухоли», добавил Цинь.

Молекулярный механизм, лежащий в основе эпигенетической памяти, включает сложные взаимодействия между гистонами, ДНК и ферментами, которые производят модификационные образцы, распознаваемые клетками. Чтобы получить сведения о таких сложных системах, ученые построили математическую модель, которая включает важные черты гистон-индуцированной эпигенетической памяти. Модель выдвигает на первый план «техническую» проблему, с которой клетка сталкивается постоянно во время молекулярного распознавания. Это похоже на восстановление картины с недостающими элементами. Молекулярные свойства видов отбирались в ходе эволюции, чтобы позволить им „полагать“, что недостающие части основаны на неполной информации, унаследованной от материнской клетки.

08.02.2014