Переворот в цитологии осуществили американские учёные под руководством выпускника Физтеха Андрея Левченко. Им удалось открыть новые закономерности передачи информации в клетке, проясняющие истинную природу поведения клетки в любой ситуации. Работа опубликована в Science.

В каждой живой клетке есть специализированные сигнальные системы, основанные на каскадах биохимических реакций, основная задача которых – передать информацию об окружающей среде. Данная информация должна быть зафиксирована и передана так, чтобы клетка смогла адекватно реагировать на изменения – это критически важно. Неправильная интерпретация сигнальных событий может привести к гибели клетки и всего организма. Большинство болезней возникает именно в результате изменений в сигнальных системах, ведущих к неправильной интерпретации изначальных сигналов и как результат – неправильного клеточного поведения. Яркий пример тому – рак, появляющийся, когда восприятие клеткой окружающего мира становится иллюзорным, и её решения – неадекватными. Вместо того чтобы спокойно сосуществовать со своими соседями, клетка начинает делиться и теряет способность к вынужденному самоубийству, когда её рост становится опасным для организма.

Авторский коллектив учёных из американского Университета Джонса Хопкинса (факультет биомедицинской инженерии), в котором работает и профессор биомедицинской инженерии Андрей Левченко, поставил задачу: измерить принципиальное количество информации, которое может быть передано по цепям сигнальных реакций, не вдаваясь в подробности того, как именно эта передача происходит. Например, вы читаете сейчас эту статью. И вам неинтересно, каким образом она оказалась на экране вашего монитора, по каким проводам и кабелям она к вам дошла. Вас больше интересует, что содержится в статье, то есть количество и качество заложенной в ней информации.

Учёные в своём исследовании сосредоточились на измерении количества информации, которое передаётся клетке во время измерения дозы сигнала. Им удалось установить, что для отдельной клетки максимальное количество переданной через сигнальную систему информации не так уж велико: оно составляет величину около 1 бита. Это объясняется тем, что клетка не может предсказуемо реагировать на сигнал более чем через два вида принимаемых решений или действий.

«Мы полагаем, что эта величина так же фундаментальна, как химия реакций, которые используются для передачи сигнала, – отмечает в интервью STRF.ru Андрей Левченко. – Мы переворачиваем всю сигнальную науку, меняя задаваемые вопросы и фокус экспериментальных и теоретических исследований».

По мнению исследователей, знание пропускной информационной способности сигнальных систем клетки так же важно, как и знание биохимии клетки. Если выяснить информационные характеристики сигнальных систем, то можно понять, какие действия способны предпринять клетки, получая определённые сигналы, каковы возможные последствия кооперации между клетками. Осознав это, мы сможем говорить одним языком о разных видах процессов, имеющих информационную составляющую, например об информации в ДНК и в сигнальных системах, активирующих извлечение этой информации.

По словам Андрея Левченко, в физике и других науках важность понятия энергии в настоящее время отходит на задний план, гораздо более фундаментальной величиной теперь считается информация: последствия обмена информацией в социальных сетях очевидны. Способность измерять биологическую информацию открывает не менее интересные перспективы слияния многих наук в информационном пространстве.

В своём исследовании авторы затрагивают и ещё одну интересную проблему, лежащую в русле теории передачи информации. Они пытаются ответить на вопрос: каковы последствия так называемого клеточного шума? Под клеточным шумом учёные понимают любое отклонение каких-либо количественных параметров ответа у генетически равнозначных клеток на действие раздражителя одинаковой силы. В данном случае речь идёт об информационном шуме, сущность которого состоит в том, что даже генетически идентичные клетки в присутствии одинаковых внешних раздражителей, например химических веществ в окружающей среде, ведут себя по-разному. Их реакция неоднозначна, почти как у людей в игре «испорченный телефон», когда одну и ту же фразу, произнесённую очень тихо в шумной среде, воспринимают по-разному.

«Зная количество передаваемой информации после шумовых искажений, мы теперь можем понять, насколько велика способность клеток реагировать на эту информацию, особенно если её остаётся очень мало после всех корректировок, – поясняет Андрей Левченко. – Мы моделируем процессы, происходящие в клетке, разрабатываем детальные модели биохимических реакций и пытаемся объединить их в одно целое. Это очень интересный и пока незаконченный проект».

Теория передачи информации давно используется при измерении шумов в телефонных и компьютерных сетях, но применить этот же метод к клеткам удалось впервые.