Niby identyczne, ale?

Odkryty, dzięki obliczeniom i symulacjom komputerowym, mechanizm może tłumaczyć jedno ze źródeł oporności bakterii na antybiotyki oraz wyjaśnić, dlaczego mimo tego samego zestawu genów bliźnięta jednojajowe i organizmy sklonowane nie są swoimi dokładnymi kopiami.

Artykuł opisujący odkrycie ukazał się w prestiżowym piśmie "Proceedings of the National Academy of Sciences".

Już w połowie ubiegłego wieku zauważono, że populacja bakterii Escherichia coli może podzielić się na dwie grupy, z których jedna wykazuje ekspresję genu, np. odpowiedzialnego za produkcję enzymu trawiącego określony rodzaj cukru, a w drugiej gen pozostaje nieczynny - choć wszystkie komórki miały to samo DNA i przebywały w tych samych warunkach. Co więcej, mimo braku zmian w zestawie genów, kolejne pokolenia dziedziczyły nowe funkcje.

Efekt ten jest znany, jako bimodalność populacji. Naukowcy z IChF PAN przeprowadzili obliczenia teoretyczne, a następnie sprawdzili je przy pomocy symulacji komputerowych metodą Monte Carlo. Odwzorowano w nich reakcje chemiczne zachodzące w komórce. Informacja genetyczna jest zawarta w DNA, jednak białka są syntetyzowane na podstawie sekwencji informacyjnego RNA (mRNA). Aby wyprodukować białko, trzeba informację przenieść z DNA na mRNA. Proces ten - transkrypcja - jest kontrolowany przez cząsteczki zwane czynnikami transkrypcyjnymi. Cząsteczki te po przyłączeniu do DNA mogą utrudniać odczyt genu (represory) lub go umożliwiać (aktywatory).

"Komórka to worek z cząsteczkami chemicznymi, poruszającymi się przypadkowo wskutek ruchów cieplnych. Po podziale w jednej komórce potomnej może być więcej czynników transkrypcyjnych niż w drugiej" - opisuje dr Anna Ochab-Marcinek z IChF PAN. Przy pomocy symulacji komputerowych badacze analizowali, jak niejednakowa ilość represorów czy aktywatorów wpływa na populację komórek.

Ponieważ liczba cząsteczek określonego typu w danej komórce jest stosunkowo mała, podczas podziałów dochodzi do niejednorodnego ich rozdziału pomiędzy komórki potomne. W czasie wzrostu populacji pojawiają się komórki produkujące znacznie więcej danego białka niż pozostałe lub nieprodukujące go wcale. Zależność między tempem produkcji danego białka a ilością represorów lub aktywatorów w komórce nie jest proporcjonalna. Efekt ten jest zwany nieliniowością. Naukowcy z IChF PAN pokazali, że z powodu nieliniowości w populacji formują się dwie wyraźne grupy: w jednej gen jest aktywny, w drugiej nie.

Podział populacji komórek na dwie grupy ma istotne znaczenie ewolucyjne. Zróżnicowanie zwiększa szansę przeżycia części populacji w przypadku wystąpienia w środowisku zmian niekorzystnych dla jednej z grup - tak jest na przykład z odpornością bakterii na leki.

Naukowcy zaproponowali także prostą konstrukcję geometryczną, przy pomocy, której można przewidzieć, kiedy w danej populacji komórek może dojść do zróżnicowania. Dzięki niej można wyjaśnić na przykład pojawianie się w populacji bimodalności tylko przy pewnych stężeniach antybiotyku.