Живые организмы от бактерий до рептилий прекрасно существуют при перепадах температуры в десятки градусов, хотя все химические реакции в их клетках должны сильно ускоряться или замедляться. Учёные МФТИ и «Сириуса» открыли принцип, объясняющий этот парадокс: сложные сигнальные сети могут самостабилизироваться за счёт своей архитектуры, а не за счёт прочности отдельных связей. Работа Егора Коренкова и Максима Никитина, опубликованная в Nature Communications, показывает, что температурную зависимость можно не только подавить, но и запрограммировать — например, заставить молекулярный сигнал следовать синусоиде. «Слабость здесь становится преимуществом — она позволяет молекулам перераспределяться так, что температурные эффекты взаимно компенсируются», — объяснил Коренков.
Как сообщает пресс-служба Московского физико-технического института и Научно-технологического университета «Сириус» со ссылкой на публикацию в журнале Nature Communications, исследователи открыли фундаментальный принцип температурно-независимой молекулярной сигнализации. Работа двух авторов — Егора Коренкова (аспирант МФТИ) и Максима Никитина (руководитель направления «Нанобиомедицина» в «Сириусе» и заведующий лабораторией нанобиотехнологий в МФТИ) — развивает концепцию «молекулярной коммутации», которую Никитин сформулировал в 2023 году.
В чём суть открытого принципа?
Традиционно считается, что для надёжной работы молекулярной системы нужны прочные, стабильные связи. Однако авторы показали обратное: сеть из слабых, по отдельности крайне чувствительных взаимодействий может сохранять правильный ответ даже тогда, когда параметры каждой связи меняются на многие порядки. Это достигается за счёт «компенсаторных» реакций, которые уравновешивают изменения, вызванные температурой или ионной силой раствора. Устойчивость возникает не из устойчивости элементов, а из их согласованной изменчивости.
Как работает самостабилизация на примере ДНК?
Исследователи построили модельные сигнальные системы на основе ДНК-логических вентилей. Они показали, что всего несколько компенсаторных реакций позволяют системе стабильно работать в диапазоне от 0,1 до 50 °C. При этом константа равновесия каждой отдельной ДНК-дуплексной реакции в этом диапазоне меняется более чем в миллиард раз. То есть система остаётся функциональной, несмотря на колоссальные изменения внутри отдельных элементов.
Можно ли не только подавить температурную зависимость, но и задать нужную?
Самый неожиданный результат, по словам авторов, возник, когда они намеренно отказались от идеальной компенсации. Оказалось, что температуру можно превратить из помехи в программирующий сигнал. Авторы показали, что для почти любой заранее заданной математической зависимости (например, параболы, синусоиды или более сложной кривой) можно подобрать молекулярно-коммутационную сеть, которая будет с высокой точностью следовать этой зависимости. Иными словами, системе можно «предписать», как именно она должна отвечать на нагрев или охлаждение, без отдельного терморецептора или внешнего процессора.
Как это может быть использовано в биотехнологиях?
Сегодня биотехнологические реакторы требуют постоянного внешнего контроля — поддержания температуры, состава среды, концентраций веществ. Открытый принцип позволяет встроить часть регулировки непосредственно в архитектуру молекулярной сети. Это может сделать производство белков и другие сложные процессы устойчивее и менее зависимыми от дорогостоящего климат-контроля. Кроме того, принцип работает и для компенсации изменений ионной силы: авторы добились стабильной работы систем при десятикратном изменении концентрации ионов натрия и магния.
Что это даёт для понимания биологии и болезней?
Авторы подчёркивают, что разные клетки организма могут иметь разные температурные зависимости. Это позволяет природе использовать общее изменение температуры тела (например, при лихорадке) как единый сигнал, который разные клетки интерпретируют по-своему: одна может плавно снижать экспрессию белка, другая — резко увеличивать, третья — менять сигнал по сложному профилю. Таким образом, один физический параметр способен координировать множество разнообразных молекулярных ответов.
Коротко: главное
-
Что открыли учёные МФТИ и «Сириуса»?
Принцип самостабилизации молекулярных сигнальных сетей, позволяющий им работать независимо от температуры и ионной силы. -
Где опубликована работа?
В высокорейтинговом журнале Nature Communications. -
Как работает самостабилизация?
За счёт «компенсаторных» реакций в сети слабых взаимодействий — изменения в одних звеньях уравновешиваются изменениями в других. -
Можно ли запрограммировать температурную зависимость?
Да, авторы показали, что системе можно задать произвольную математическую зависимость ответа от температуры (например, синусоиду). -
Какое практическое применение?
Создание биореакторов, не требующих дорогостоящего климат-контроля, и новые подходы к пониманию роли температуры при болезнях.
Резюме
-
Учёные МФТИ и «Сириуса» открыли принцип температурной самостабилизации молекулярных сетей, опубликованный в Nature Communications.
-
Принцип основан на компенсации изменений в слабых взаимодействиях, а не на прочности связей.
-
Системы могут сохранять работу в диапазоне от 0,1 до 50 °C, несмотря на миллиардные изменения констант отдельных реакций.
-
Температурную зависимость можно программировать, превращая её из помехи в управляющий сигнал.
-
Открытие обещает новые подходы в биотехнологиях и в понимании клеточных ответов на лихорадку.
Материал подготовлен изданием «Техносуверен» (technosuveren.ru).
