كيف تستفيد الخلايا من التفاعلات الكيميائية الحيوية العشوائية
كيف تستفيد الخلايا من التفاعلات الكيميائية الحيوية العشوائية

فيديو: كيف تستفيد الخلايا من التفاعلات الكيميائية الحيوية العشوائية

Отличия серверных жестких дисков от десктопных
فيديو: ORIGIN Arabic 2023, شهر فبراير
Anonim

تكشف دراسات جديدة كيف تستغل الخلايا العشوائية الكيميائية الحيوية.

مثلما يكبر التوائم المتطابقون الذين نشأوا في نفس المنزل في كثير من الأحيان ليكونوا مختلفين ، فإن الخلايا المتطابقة التي تنمو في نفس البيئة تظهر في كثير من الأحيان خصائص مميزة. هذه الاختلافات هي نتيجة التقلبات العشوائية في التفاعلات البيوكيميائية. لطالما اعتبر علماء الأحياء أن مثل هذه النقطات البيوكيميائية كخصوم ، لكن الدراسات الحديثة تشير إلى أن الخلايا والبكتيريا تستخدم أحيانًا هذه العشوائية لصالحها.

الأنظمة الصغيرة مثل الخلايا حساسة بطبيعتها للتأثيرات العشوائية التي يسميها العلماء العشوائية - أو الضوضاء - لأنها تحتوي فقط على عدد قليل من النسخ النشطة من البروتينات الفردية أو الأحماض النووية. تؤثر التقلبات الطفيفة في مستويات بعض المكونات الخلوية ، على سبيل المثال ، على ما إذا كان جين معين يعمل ويصنع بروتينًا. يبدو أن مثل هذه الضوضاء تشير إلى أن بعض جوانب مصير الخلية متروكة للصدفة ؛ يجبر الافتقار إلى التحكم الخلايا على تطوير خطط احتياطية ، مثل المسارات البيوكيميائية الزائدة عن الحاجة.

حتى وقت قريب ، كان العلماء يواجهون صعوبة في دراسة هذه الظاهرة ، لأن القيام بذلك يتطلب القدرة على تصور الخلايا والجزيئات الفردية ؛ يؤدي حساب متوسط ​​سلوك مجموعات الخلايا إلى إلغاء تأثيرات الضوضاء ، مثلما يبدو النسيج الذي يُشاهد من مسافة خالية من العيوب. ومع ذلك ، في العقد الماضي ، أعطت مجموعة من الأدوات الجديدة ، بما في ذلك الواسمات الفلورية التي ترتبط بالجزيئات وتضيء تحت المجاهر ، العلماء القدرة على رؤية الضوضاء أثناء العمل. ما وجده الباحثون مثير للدهشة: يبدو أن الخلايا أحيانًا تستخدم الضوضاء لمساعدتها على البقاء في البيئات المتغيرة واتخاذ القرارات أثناء التطور. يقول ريتشارد لوسيك ، عالم الأحياء بجامعة هارفارد ، الذي شارك في أبريل / نيسان في تأليف مقال عن العشوائية في العلوم: "في العادة ، يتعين على الكائنات الحية أن تتكيف مع الضوضاء ، لكنها تستغلها أحيانًا"

على سبيل المثال ، يعيش خُمس البكتيريا في مستعمرات Bacillus subtilis في حالة متخصصة تسمى الكفاءة ، حيث تتوقف عن النمو وتدمج الحمض النووي من البيئة في جينوماتها. يتم تحديد ما إذا كانت الخلية تدخل هذه الحالة بشكل عشوائي ، وعلى الرغم من أن الخلايا المختصة بتكاليفها لا تنمو ويُعتقد أن كفاءة الانقسام توفر ميزة تطورية من حيث أنها تسمح للمستعمرة بتوسيع صندوق أدواتها الجيني. يلاحظ لوسيك أن الخلايا المختصة هي على الأرجح "في طريقها للبحث عن تسلسلات جينية جديدة يمكن أن تحسن ملاءمتها للظروف المتغيرة في المستقبل".

تستخدم الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا أيضًا الضوضاء لمصلحتها. تتكون عين ذبابة الفاكهة الشائعة ، Drosophila melanogaster ، من وحدات أصغر ، تتكون كل منها من ثماني خلايا. عندما تتطور كل خلية ، فإنها تتخذ خيارًا يحدده وجود أو عدم وجود بروتين تنظيمي. يصبح هذا البروتين نشطًا فقط في مجموعة فرعية عشوائية من الخلايا ، ويحدِّد حدوثه ما إذا كانت الخلية ستستجيب لدرجة معينة من الضوء فوق البنفسجي. يضمن التعبير العشوائي لهذا البروتين التنظيمي أن نوعي الخلايا يتم تقسيمهما في جميع أنحاء العين عن طريق الصدفة لتجنب الأنماط المتكررة التي قد تحد من الرؤية الكلية للذباب. على الرغم من أن الخلايا "في بيئة متطابقة وكلها تأتي من سلف متطابق ، فإنها تكتسب أنماطًا ظاهرية مختلفة ،" أو سمات فيزيائية ، كما يقول مادس كيرن ، عالم بيولوجيا الأنظمة بجامعة أوتاوا.

على الرغم من أن الضوضاء تلعب دورًا مهمًا في مصير الخلية ، إلا أنه لا يزال يتعين تعلم الكثير عن مصادر هذه الضوضاء ومدى تأثيرها على الخلايا والكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك البشر. يقول إيدو كوسيل ، عالم الفيزياء الحيوية بجامعة نيويورك: "نحن نعرف عددًا قليلاً من [الآليات] ، ولكن هناك الكثير من الأدلة على وجود الكثير منها". مهمة أخرى صعبة هي فك رموز صلتها البيولوجية. على سبيل المثال ، من السهل التكهن لماذا تصبح البكتيريا كفؤة ، لكن إثبات أن التكهنات أقرب إلى المستحيل. هل يمكننا إيجاد طريقة لإثبات أن آلية عشوائية معينة قد تم ضبطها بالفعل مع التطور؟ كيف نبرهن على ذلك بشكل قاطع؟ " يسأل كوسيل.

بينما يركز العلماء على سلوك الخلايا والجزيئات الفردية ، تظهر مشكلة أخرى أيضًا: يصبح من الصعب مراقبة العمليات دون التأثير عليها. "علينا أن نفعل شيئًا بالخلية لتحليلها ، ولا نعرف حقًا كيف تؤثر هذه التلاعبات عليها" ، كما يقول كايرن.

وبالتالي ، فإن فهم الضوضاء سيتضمن التغلب على عدد من العقبات التكنولوجية ، لكن لا أحد يشك في أن هذا المسعى يستحق العناء. يمكن أن يكون للضوضاء آثار مهمة في العديد من المجالات ، بما في ذلك الطب: إذا اتخذت الخلايا والبكتيريا عددًا من قراراتها بشكل عشوائي ، فقد يحتاج العلماء إلى فهم الضوضاء لتطوير مضادات حيوية جديدة وتحسين العلاجات القائمة على الخلايا مثل العلاج بالخلايا الجذعية. "نحن بحاجة إلى فهم كيفية عمل الضوضاء داخل سياق الشبكة ؛ كيف يتم استخدامها من قبل الكائنات الحية ، "يقول كايرن. "إنه مجال مثير للغاية - ولكنه محير بعض الشيء في بعض الأحيان."

شعبية حسب الموضوع