数学与计算

生物细胞感知环境的能力如何?

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-11-25 12:24

生物细胞通过感知某些与细胞表面特定受体结合的分子,从而适应环境中的化学变化。测量该感测能力的先前工作通常假设这些结合分子(称为配体)的浓度保持恒定或随时间以稳定速率变化。现在,法国和美国的研究人员已经开发出一种数学模型,用于更好地反映现实情况的细胞敏感性。他们的工作可以揭

  生物细胞通过感知某些与细胞表面特定受体结合的分子,从而适应环境中的化学变化。测量该感测能力的先前工作通常假设这些结合分子(称为配体)的浓度保持恒定或随时间以稳定速率变化。现在,法国和美国的研究人员已经开发出一种数学模型,用于更好地反映现实情况的细胞敏感性。他们的工作可以揭示生物系统内的动态过程,例如胚胎中细胞的快速生长或细菌对化学刺激的反应。

生物细胞感知环境的能力如何?

  该新模型由巴黎的ENS的蒂埃里·莫拉(Thierry Mora)和乔治亚州的埃默里大学的伊利亚·内曼曼(Ilya Nemenman)开发,用非线性随机变化的数值场描述了细胞化学环境的快速变化。这种表述使研究人员能够应用随机场理论中的技术,这些技术通常用于解决量子和统计物理学中的问题。

  计算最小波动

  细胞通过将外部配体与表面上的特定受体结合来感知化学浓度。Mora和Nemenman的模型可得出配体在给定时间段内与细胞结合的概率,以计算细胞可以检测到的最小浓度波动。

  他们发现,随着生化物质总浓度的增加或受体结合率的增加,细胞可以感知到较小的分数波动。在以前的计算中,假设环境是恒定的,无波动的,细胞的敏感性(以浓度的误差c表示)与生化浓度和受体结合率有关,其关系是基于1/2幂定律的Berg和Purcell界。

  在新模型中,该灵敏度随浓度和结合率的变化更缓慢,并遵循1/4幂定律。实际上,缩放为δ Ç / Ç〜(Dacτ)-1/4。在该等式中,D是配体扩散率,a 是受体的线性尺寸,并且τ是配体波动时间标度。

  模型适用于实际情况

  研究人员在《Physical Review Letters》中报告了他们的工作,他们说他们已经将他们的模型应用于现实世界,在这种情况下,外部化学物质在与细胞受体结合后会驱动细胞内部的信号网络。他们的计算机模拟表明,在这种情况下,细胞可以在其衍生的基本极限内检测到分子。

  伦敦帝国理工学院的罗伯特·恩德雷斯(Robert Endres)并未参与这项研究,他说,通过受体感知波动的配体浓度问题确实与生物学有关。他补充说,像Mora和Nemenman一样,通过场论方法得出感测极限是“非常优雅的”。但是,他也轻描淡写了他们的发现与早期工作的不同之处。

  Endres说:“尽管取得了很好的结果,但我不会说这是与通常的Berg和Purcell极限完全不同的极限。” 他解释说,Berg和Purcell的下限是一个下限,一种“底噪”,而Mora和Nemenman的新下限则由于配体浓度的波动而较高。其次,正如研究人员自己解释的那样,可以使用最佳平均时间使新的限制与Berg和Purcell限制保持一致,也就是说,通过使测量时​​间间隔尽可能长以更好地平均获得的结果,而对于配体的浓度变化较小。

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