2000 yılında, ne zaman Michael Elowitz California Teknoloji Enstitüsü'nden Dr. henüz Princeton Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisiyken, sentetik biyolojinin genç alanında kayda değer bir başarı elde etti: Canlı hücrelerde bir tür işleyen "devre" tasarlayan ve gösteren ilk kişilerden biri oldu. O ve akıl hocası, Stanislas Leibler, bir gen paketini içine yerleştirdi Escherichia coli elektronik devrelerdeki bir osilatör gibi hücrelerin floresan protein üretiminde kontrollü salınımlara neden olan bakteriler.

Bu, biyolog ve Nobel ödüllü François Jacob'un "yaşamın mantığı" olarak adlandırdığı şeyin harika bir örneğiydi: genlerden hücrelerin ve diğer organizmaların sergilediği özelliklere kadar sıkı bir şekilde kontrol edilen bilgi akışı.

Ancak bakterilerde çok iyi işleyen devre benzeri mantığın bu net görüşü, daha karmaşık hücrelerde sıklıkla başarısız oluyor. "Bakterilerde tek proteinler bazı şeyleri düzenler" dedi Angela DePaceHarvard Tıp Fakültesi'nde sistem biyoloğu. "Fakat daha karmaşık organizmalarda, birçok proteini daha analog bir şekilde dahil edersiniz."

Son zamanlarda, Elowitz ve çalışma arkadaşları, insanların ve diğer karmaşık hayvanların embriyolarını şekillendiren önemli bir gelişimsel yoldaki protein etkileşimlerini yakından inceleyerek, şunu fark ettiler: karmaşık yaşamın mantığı nedir gerçekten gibidir. Bu yol, bileşen moleküllerin birçok farklı kombinasyonda birleşebildiği, çapkın bir yüz kızarmasına neden olacak bir moleküler rastgelelik isyanıdır. Bu kaotik dansın bir hücrenin kaderini yönlendirecek tutarlı bir sinyal iletebileceğini ummak boşuna görünebilir. Ancak biyomoleküller arasındaki bu tür düzensiz birleşme tuhaf bir istisna değil, norm olabilir. Aslında çok hücreli yaşamın işe yaramasının nedeni bu olabilir.

Elowitz, "Biyolojik hücre-hücre iletişim devreleri, gelişigüzel etkileşime giren ligandlar ve reseptörlerden oluşan aileleriyle birlikte bir karmaşa gibi görünüyor ve biz sentetik biyologların tasarlayabileceğinin tam tersi bir mimari kullanıyor" dedi.

Ancak etkileşim halindeki bileşenlerin bu bariz kaosu, sinyal moleküllerinin karmaşık kokteyllerinden bilgiyi güvenilir ve verimli bir şekilde çıkarabilen, gerçekten karmaşık bir sinyal işleme sistemidir. "Hücrelerin doğal kombinatoryal dilini anlamak, onları şu anda sahip olduğumuzdan çok daha spesifik bir şekilde kontrol etmemize olanak sağlayabilir" dedi.

Ortaya çıkan tablo, hücrelerimizdeki biyomoleküllerin bir organizmayı oluştururken ne yapmakta olduklarına, karmaşık yaşamı yaratmak için hangi mantığı izlediklerine ilişkin görüşümüzü yeniden yapılandırmaktan daha fazlasını yapıyor. Bu aynı zamanda canlıların öngörülemeyen bir çevre karşısında neden hayatta kalabildiklerini ve bu rastlantısallığın evrimi engellemek yerine neden evrime izin verdiğini anlamamıza da yardımcı olabilir. Ve bu, moleküler tıbbın neden bu kadar zor olduğunu açıklayabilir: neden birçok aday ilacın umduğumuzu yapmadığını ve bunu yapanları nasıl yapabileceğimizi açıklayabilir.

Mesajlar Değil, Haberciler

Eğer bir makine ya da elektronik devre tasarlıyorsanız, onu bir hücreye göre modellemek aptallık olur. Hücrelerin bileşenleri çoğunlukla dikkatli bir şekilde düzenlenmiyor ve bir araya getirilmiyor; bunun yerine, asi, itişip kakışan bir kalabalık gibi hücre zarının içinde yüzüyor ve karışıyor. Yine de bir şekilde işe yarıyor.

Düzenli ve geleneksel açıklama, bir hücrenin çalışan parçalarının çoğunu oluşturan protein moleküllerinin sürekli olarak birbirleriyle çarpışmalarına rağmen, bu karşılaşmaların neredeyse tamamına kayıtsız kalmalarıdır. Ancak bir protein, yüzeyinin zarif bir şekilde şekillendirilmiş kısmına tam olarak uyum sağlayan başka bir molekülle karşılaştığında, ikisi birbirine kilitlenir ve etkileşime girer. Bu hassas moleküler tanıma süreçleri, hücreler içindeki açık iletişim hatlarını korur ve onların çalışmasını sağlar.

Bu hikayenin tek sorunu yanlış olmasıdır. Pek çok protein seçici moleküler tanıma özelliği gösterse de, ökaryotik hücrelerimizin işleyişinde en merkezi olanlardan bazıları çok daha az seçicidir.

Al BMP adı verilen büyüme faktörü proteinleriHücreleri gen dizilerini açıp kapatmaya yönlendirerek hücrelerin nasıl çoğaldığını ve çeşitli dokulara farklılaştığını düzenler. Adları "kemik morfogenetik proteini"nden geliyor çünkü bilinen ilk genin, başlangıçta kemik oluşumunda rol oynayan bir proteini kodladığı düşünülüyordu.

Ancak her ne kadar bu konuyla ilgili olsa da (BMP üretimindeki arızalar kemik büyümesi hastalıklarında da rol oynuyor), kemik büyümesinin BMP proteinlerinin işlevi olduğu fikrinin uzun zamandan beri yanıltıcı olduğu kanıtlandı. BMP'nin bir türü, insan embriyosunda döllenmeden yaklaşık 14 gün sonra hücrelerin farklı doku tiplerinde uzmanlaşmaya başladığı ve embriyonun bir hücre kümesinden çok daha karmaşık bir yapıya dönüştüğü gastrulasyon adı verilen gelişim sürecine dahil olur. Daha sonra BMP'ler da ifade edilir kıkırdaklarda, böbreklerde, gözlerde ve erken beyinde bulunur ve bu dokuların gelişimine rehberlik ederler.

Gerçek şu ki, BMP'lerin işlevi fenotip (yani özellikler) üzerindeki etkileriyle tanımlanamaz. Hücreler arasındaki iletişime aracılık ederler, ancak bu iletişimin tetiklediği şeyler farklı hücre türlerinde veya gelişimin farklı bir aşamasındaki aynı hücre tipinde tamamen farklı olabilir. BMP'ler mesaj değil, habercidir.

Elowitz ve diğerlerinin şimdi gün ışığına çıkardığı şey, BMP'lerin bu kadar değişken olma hilesini nasıl başardıkları ve aynı zamanda organizmaların hayatlarını onlar için riske atmasına yetecek kadar tahmin edilebilir bir şekilde nasıl davrandıklarıdır. Bu nitelikler, BMP sisteminin bileşimindeki karmaşıklık katmanlarından ve bu öğelerin birbirlerine olan esnek, değişken ilgilerinden ortaya çıkıyor gibi görünüyor. Paradoksal olarak karmaşıklık, sistemi hem daha hassas hem de daha güvenilir kılmaktadır.

Memelilerin, her biri biraz farklı yapıya sahip 11 veya daha fazla farklı BMP proteinini kodlayan genleri vardır. BMP'ler aynı veya farklı proteinlerin bağlı çiftleri veya dimerleri halinde etki eder ve bazı durumlarda bu dimerler de eşleşerek varyasyonları daha da çoğaltır. BMP proteinleri ailesi, ilişkili bir reseptör proteinleri ailesine yapışır ve bu reseptörler aynı zamanda genellikle dörtlü olmak üzere küçük gruplar halinde bir araya gelen alt birimlerden yapılır. Genleri açıp kapatan ve konakçı hücre üzerinde aşağı yönde bir etkiyi tetikleyen transkripsiyon faktörlerini aktive eden işte bu molekül kümesidir.

Ancak her BMP dimerinin bir kilit ve anahtar gibi bağlandığı belirlenmiş reseptörlere sahip olması basit bir durum değildir. Aslına bakılırsa, bu moleküller çok seçici değildir: Her bir BMP dimer, değişen istek derecelerine sahip birkaç farklı reseptör alt birimi çiftine yapışabilir. Bu, bileşenlerin pek çok şekilde bir araya getirilebildiği kombinatoryal bir sistemdir: kilit ve anahtarlardan ziyade Lego tuğlalarına benzer.

Olası permütasyonları düşünmek yorucu. BMP yolu bir hücrenin kaderini yönlendirecek spesifik bir direktifi nasıl iletebilir? Bu kadar karmaşık bir durumda, "soruna yaklaşmak biraz alışılmadık bir düşünce gerektirdi" dedi James LintonElowitz'in grubundaki bir araştırma bilimcisi.

Caltech ekibi, Yaron AntebiElowitz'in eski doktora sonrası araştırmacısı ve şu anda İsrail'deki Weizmann Bilim Enstitüsü'nde çalışıyor. deneysel üstlendi ve hesaplamalı çalışmalar BMP'lerin 10 ana memeli formu ile iki tip fare hücresindeki yedi reseptör alt birimi arasındaki bağlanma eğilimlerini karakterize etmek. Bu, birçok kombinasyonun incelenmesini gerektiriyordu ancak hücre kültürlerindeki reaksiyonları gerçekleştiren otomatik bir robotik sistem bunu mümkün kıldı.

Etkileşimler rastgele olmasına rağmen "her şey yolunda" olmaktan uzaktı. Bazı BMP'lerin neredeyse birbiriyle değiştirilebilir etkileri vardı, ancak diğerleri yoktu. Bazı durumlarda, bir BMP artı iki reseptör alt birimi, üç farklı bileşenden oluşan bir düzeneğin yanı sıra çalıştı. Bir düzenek, bir BMP'nin diğeriyle değiştirilmesiyle de işe yarayabilir, ancak yalnızca reseptör aynı kalırsa. Bazen değiştirilen iki bileşenin bağımsız etkileri vardı ve bunların birleşik etkisi basit bir toplamdı. Bazen etkiler karşılıklı olarak birbirini güçlendirdi veya birbirini iptal etti.

Genel olarak BMP'ler eşdeğer gruplara ayrılabilir. Elowitz, "Diğer tüm BMP'lerle aynı etkileşim modeline sahip olmaları durumunda iki BMP'yi eşdeğer olarak sınıflandırdık" dedi. Ancak bu eşdeğerlik ilişkileri sabit değildi; hücre türlerine ve hücrelerin ifade ettiği reseptörlerin konfigürasyonuna göre değişiyordu. Bir çift BMP, bir hücre tipinde birbirinin yerine geçebilirken diğerinde olmayabilir. Bu bulgu, diğer araştırmacıların, örneğin BMP9 proteininin, kan damarı oluşumu yolunda BMP10'un yerini alabileceği ancak kalp gelişimi yolunda olamayacağı yönündeki gözlemleriyle örtüşüyordu.

Daha Az Sinyalle Daha Fazla Spesifiklik

BMP sinyali neden bu kadar gereksiz karmaşık görünen bir şekilde çalışıyor? Caltech ekibi bunun organizmalara daha azı karşılığında daha fazlasını verebileceğini düşünüyor. Grubun üyeleri tarafından yapılan matematiksel modelleme - Christina Su İsrail'de Caltech, Antebi'de ve Arvind Murugan Chicago Üniversitesi'nde yapılan bir araştırma, rastgele bir etkileşim sisteminin, bire bir moleküler etkileşimlere göre bir dizi potansiyel avantaj sunduğunu gösterdi.

Özellikle ligandların reseptörlere benzersiz şekilde bağlandığı sistemlerde, ligand türlerinin sayısı, kaç farklı hücre tipinin veya hedefin benzersiz şekilde adreslenebileceğini sınırlar. Kombinatoryal bir sistemde, az sayıda ligand ve reseptör arasındaki farklı eşleşmeler, çok daha fazla sayıda hedefi belirleyebilir. Eşleştirmeler arasındaki farklar aynı zamanda ya hep ya hiç yanıtı yerine kademeli etkilere izin verir.

Elowitz, "Çalışma hipotezimiz, bu ligand-reseptör kombinasyonlarının, tek tek moleküllerden daha hücre tipine özgü olma potansiyeline sahip olmasıdır" dedi.

Kombinatoryal sistem bu nedenle hücreleri adreslemek için daha fazla seçenek sunar ve daha karmaşık hücre desenleri üretebilir. Bu çok yönlülük, kesin konfigürasyonlarda birçok hücre tipini içeren organizmaların inşası için önemlidir. Küçük bir sinyal molekülü repertuarıyla bile, embriyodaki bir grup hücreye kıkırdak olması talimatı verilebilir, diğer bir grup kemiğe dönüşürken diğerlerinin kaderi başka olur.

Pek çok olası kombinasyon, bölgeler arasındaki sınırlarda bir miktar bulanıklık yaratabilir, ancak Linton, bunların diğer sinyal sistemleriyle birlikte çalışarak daha da keskinleştirilebileceğini düşünüyor. Örneğin Wnt adı verilen protein ailesini içeren bir yolun sıklıkla BMP sinyallemesiyle birlikte çalıştığı görülmektedir. Linton, "BMP'yi bir yerde çalışırken bulursanız, büyük olasılıkla Wnt'yi bulacaksınız" dedi. Yollar bazen birbirine zıttır, bazen de birbirini güçlendirir. Eğer Wnt yolu benzer kombinatoryal kuralları izliyorsa (Elowitz, bunun hala deneysel olarak araştırılması gereken bir olasılık olduğunu vurguluyor), o zaman BMP ve Wnt birbirlerinin sinyallerini iyileştirmeye yardımcı olabilir.

Elowitz ve meslektaşları, bu tür kombinatoryal kuralların bu şekilde hücrelerin moleküler bağlantılarının yaygın bir "tasarım ilkesini" temsil edebileceğini düşünüyor.

Sistem biyoloğu Galit Lahav Harvard Tıp Fakültesi'nden Dr. böyle bir sistemin çok anlamlı olduğu konusunda hemfikirdir. Benzer bir şeyin gen için de geçerli olup olmadığını merak ediyor p53Hücrelerin çoğalma ve bölünme döngülerinin kontrol edilmesinde merkezi öneme sahip olan ve sıklıkla kanserlerde rol oynayan bir maddedir. p53 proteini hücre sinyalleşmesinde birkaç farklı rol oynar ve diğer birçok moleküle bağlanır.

Kombinatoryal prensip aynı zamanda hücre büyümesi ve gelişiminin ötesindeki durumlara da uzanabilir. Linton, koku alma sisteminde olup bitenlerle gevşek bir paralellik görüyor: İnsanlarda, burundaki koku soğancığının zarlarını kaplayan yaklaşık 400 çeşit reseptör proteini var ve bu reseptörler, toplu olarak çok sayıda kokuyu ayırt edebiliyor. Her koku molekülünün kendine özel reseptörü tarafından benzersiz bir şekilde tanınması gerekseydi bu mümkün olmazdı. Bunun yerine, reseptörler görünüyor koku verici maddelere gelişigüzel bağlanmak Farklı ilgilere sahip olan kokular, beynin koku merkezine gönderilen çıkış sinyali daha sonra kombinatoryal kurallarla belirlenir.

Gürültüyü Avantajlarına Kullanmak

Hücre regülasyonunda yer alan proteinler, RNA molekülleri ve DNA genomik dizileri arasındaki etkileşimlerin esnek ve rastgele olduğuna dair kanıtlar, son on yılda giderek daha yaygın hale geldi. Biyoloji boyunca çok çeşitli sistemlerde ortaya çıkarlar. Elowitz, "Karışıklığın var olmak zorunda olmadığı, her yerde mevcut olduğu göz önüne alındığında, en basit ve en makul varsayım, bunun bazı işlevsel yetenekler sağladığıdır" dedi.

Yeteneğin kökünde bilgi işleme olduğunu düşünüyor. "Tıpkı aksonlar ve dendritler yoluyla birbirine bağlanan nöronlar karmaşık bilgi işlemeyi gerçekleştirebildiği gibi, biyokimyasal etkileşimler yoluyla birbirine bağlanan proteinler de aynı şekilde yapabilir" dedi. Bu, diğer bilim adamlarının da biyokimyasal ağlarla ilgili çalışmalarından elde ettikleri bir fikirdir.

Heidi KlumpeBMP sistemi üzerinde deneysel çalışmanın çoğunu yürüten Elowitz grubunun bir üyesi olan BMP sistemi, bunu sinir ağlarının çalışma şekliyle karşılaştırıyor: ağın belirli bileşenlerine sabit roller atayarak değil, rollerin birçok bağlantıdan ortaya çıkmasına izin vererek. "Hücrelerin önceden düşünülenden daha karmaşık bir hesaplama yaptığını düşünüyoruz" dedi.

Elowitz, "Şu anda yapmaya çalıştığımız şey, bu sistemlerin gerçekte ne tür işlevleri hesapladığını ve bu hesaplamaların daha sonra hangi üst düzey yetenekleri mümkün kıldığını tam olarak anlamaktır" dedi.

Evrimsel biyolog Andreas Wagner Zürih Üniversitesi'nden bir doktor, bunun gibi rastgele bir sistemin bazı avantajlar sağladığı için seçildiği fikrinin "tam isabetli" olduğu konusunda hemfikir. Bu faydanın çok yönlülüğünde yatabileceğinin "muhtemelen bu sorun hakkında ciddi olarak düşünen herkesin aklından geçen ilgi çekici bir olasılık" olduğunu söyledi.

Ancak "daha sıradan bir olasılık daha var" diye ekliyor: Belki de çok hücreli organizmaların hücreleri gibi karmaşık bir sistemin çalışabilmesinin tek yolu budur. Wagner, "Hücresel sistemler oldukça gürültülüdür" dedi; Hücrelerin içindeki kalabalık, itişip kakışan ortamda moleküler karşılaşmalar tahmin edilemez ve üretilen proteinlerin miktarı an be an rastgele dalgalanır. Her bir bileşenin diğerine özel olarak bağlandığı bir hücre, bu kontrol edilemeyen değişikliklere karşı oldukça savunmasız olacaktır. Sanki devre elemanları ağa rastgele girip çıkıyormuş gibi davranırdı.

Dahası, bir hücre her bölündüğünde, DNA replikasyonundaki rastgele kopyalama hataları nedeniyle devrelerin tam olarak yeniden üretileceğinin garantisi yoktur. Wagner, "Bunun gibi bir sistem, özelliklerini değiştiren mutasyonlara karşı son derece duyarlı olabilir" dedi. "Birlikte ele alındığında, tüm bu maliyetler caydırıcı olabilir."

Sonuç olarak, hücreler gürültüyü kendi yararlarına kullanan adaptasyonlar geliştirmiş olabilir ve Wagner, Elowitz'in düzenleyici ağların kombinatoryal mantığına ilişkin modelinin "bu tür adaptasyonun bir örneği olabileceğini" söyledi. "Hücreler, gücü doğru türden kombinatoriklerden kaynaklanan özensiz sistemlere sahip olabilir."

"Biyolojik sistemler genellikle hayal ettiğimizden çok daha sağlamdır" dedi Meng ZhuHarvard Tıp Fakültesi'nde gelişimsel biyolog. Araştırmacılar genellikle hayatta kalmak için kritik görünen bir geni deneysel olarak devre dışı bıraktıklarında organizmanın neredeyse hiç fark etmediğini buluyor: Organizma, bunu telafi etmek için gen ve protein ağlarındaki etkileşimleri ve yolları yeniden ayarlıyor. BMP sisteminde görüldüğü gibi, ilgili proteinlerin fazlalığı ve telafi edici işlevi, bu yeteneğin önemli bir parçası olabileceğini söylüyor.

Zhu, karışık, yüksek oranda birbirine bağlı protein ağlarının, organizmaların evrim yoluyla faydalı yeni kapasiteler kazanma yeteneğini de destekleyebileceğini düşünüyor. "Daha yüksek bağlantıya sahip bir sistem, yeni işlevleri daha kolay geliştirin" dedi çünkü kendisini oluşturan parçalardaki zararlı mutasyonları daha iyi tolere edebiliyor.

Tersine, eğer moleküler bileşenler arasındaki tüm etkileşimler çok hassas bir şekilde ayarlanmışsa, "yeni bir şey yapmak çok zordur" dedi. Ard LouisOxford Üniversitesi'nde biyolojik karmaşıklık sorunları üzerinde çalışan bir fizikçi. Bu bileşenlerdeki herhangi bir değişiklik, avantajlı görünse bile, muhtemelen mevcut, muhtemelen hayati öneme sahip bazı işlevleri bozacaktır.

Bir proteinin diğerinin yerine geçmesine izin veren rastgele bağlanma, bu nedenle ağın eskilerini kaybetmeden yeni işlevler kazanmasını sağlayabilir. Wagner, birlikte çalışıyor Joshua Payne Zürih İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar bu fikre destek buldu: Transkripsiyon faktörlerinin gelişigüzel bağlanmasının hem mutasyonlara karşı dayanıklılığı hem de yeni işlevler geliştirme yeteneği.

Bu nedenle, kombinatoryal bir ligand bağlama sisteminin hem hücreler için daha fazla seçenek yaratması hem de organizmalara gürültüye karşı daha fazla evrimleşebilirlik ve dayanıklılık kazandırması mümkün olabilir. Evrim, hücrenin biyokimyasının çoğunu, ayrıntılara araştırmacıların düşündüğünden çok daha az duyarlı olacak şekilde düzenlemiş olabilir.

Klumpe, "Gürültülü, evrimleşmiş biyolojik sistemlerin ayrıntılarla dolu olduğunu düşünüyorum, ancak bunların çoğu alakasız" dedi. "Ayrıca, önemli olan belirli bir ayrıntı olmayabilir, daha ziyade bazı üst düzey işlevlerin korunması olabilir" - örneğin transkripsiyon faktörlerinin gerekliliği gibi belli bir düzeyde güçle bağlanmak gen ifadesini açmak için.

Devre Çok Basit

Biyomoleküler ağlardaki bu tür "yanlışlık", ilaç geliştirme açısından önemli sonuçlar doğurabilir. Elowitz, "Sıradan tıptaki zorluklardan biri, ilaçların bir hedef protein için çok spesifik olabilmesi, ancak bu hedef proteinin, ifade edildiği hücre tipleri açısından spesifik olmamasıdır" dedi. Bir protein hedefine çok doğru bir şekilde ulaşabiliyorsunuz ancak bunun farklı dokularda nasıl bir etki yaratacağını (eğer varsa) hala bilmiyor olabilirsiniz. Elowitz'in ekibinin çalışması, ilaçların tek moleküllü "sihirli mermilerden" daha fazlası olması gerekebileceğini öne sürüyor: İstenilen tepkiyi sağlamak için dokuya özgü hedeflerin farklı kombinasyonlarını vurmaları gerekebilir.

Kombinatoryal ilkelerinin nedeni ne olursa olsun, BMP sinyal sistemi hücrelerin insanların yaptığı makinelere benzemediğini gösteriyor. Linton, "Ve bu pek çok biyolojik sistem için de geçerli olabilir" dedi. "Elektroniğe basit benzetmeler yaparsanız yetersiz kalırsınız."

Bu durum sadece biyolojik sistemler hakkında konuşmayı değil, onları anlamayı ve mühendislik yapmayı da zorlaştırıyor. Elektronik analojiler, Elowitz ve Leibler'in 20 yıl önce üzerinde çalıştığı bakteriler gibi nispeten basit sistemler için uygun olabilir; ancak canlı organizmalar daha karmaşık hale geldiğinde ve özellikle de farklı, uzmanlaşmış yapılarda birlikte çalışan genetik olarak aynı hücrelerle çok hücreli hale geldiklerinde. eyaletler — farklı kurallar geçerli olabilir.

Linton, BMP sisteminin örneklediği çalışma prensibinin "çok hücreliliğe ve daha karmaşık dokulara yol açmanın bir yolu olarak doğada ortaya çıkan bir şey" olabileceğini söyledi. Hatta "bunun bizim gibi organizmaların ortaya çıkmasına olanak sağlayan yenilik olduğunu" öne sürüyor.

O halde belki de hücrelerin nasıl çalıştığına dair en yararlı analojiler koku alma veya biliş gibi biyolojiktir. Belki de hayatı gerçekten anlamanın tek yolu kendisine referans vermektir.