Результаты ученых впервые объясняют, как сигнальные системы организмов без постоянной температуры тела — от бактерий до рептилий — могут не «сходить с ума» при перепадах в десятки градусов.
Несколько градусов разницы — и целая партия препарата может пойти в брак. На каждой стадии биотехнологического производства — от выращивания клеток до очистки продукта — работа молекулярных систем критически зависит от температуры и состава среды, а ее стабилизация по всему объему реактора требует сложного оборудования и постоянного внимания. Тем удивительнее, что в природе все устроено иначе: бактерии, рыбы и рептилии прекрасно живут без внутреннего термостата, и их сигнальные сети не ломаются, хотя температура среды может меняться гораздо сильнее, чем допустимо в биореакторе. Понимание возможных механизмов — важный фундаментальный результат исследования.
В новом исследовании ученые обнаружили, что молекулярные сигнальные сети способны самостоятельно компенсировать изменения температуры — благодаря особенностям своей внутренней организации. Эта работа стала продолжением исследований команды под руководством Максима Никитина, заведующего лабораторией нанобиотехнологий МФТИ и руководителя направления «Нанобиомедицина» в Университете «Сириус».
В 2023 году Никитин впервые сформулировал и экспериментально подтвердил принцип молекулярной коммутации, который позволяет природе передавать и обрабатывать самую разнообразную биологическую информацию только за счет слабых обратимых взаимодействий. Новая работа показала, что сигналы, передаваемые коммутацией, могут сохранять точность работы сигнальных систем при изменении внешних условий.
На примере ДНК-логических вентилей и систем передачи сигналов сложной математической формы авторы продемонстрировали стабильную работу в диапазоне температур от 0,1 до 50 °C. При этом стабильность отдельных реакций, характеризуемая константами равновесия ДНК-дуплексов, в среднем менялась более чем в миллиард раз. Иными словами, отдельные молекулярные взаимодействия могли изменяться чрезвычайно сильно, но благодаря взаимной компенсации итоговый сигнал всей системы оставался стабильным. Но по-настоящему неожиданный результат возник, когда исследователи намеренно отказались от идеальной компенсации. Оказалось, что молекулярные сети могут не только компенсировать влияние температуры, но и использовать ее для управления собственным поведением.
Авторы показали, что можно заранее задать, как именно должен меняться выходной сигнал системы при изменении температуры. Например, запрограммировать его на параболическую или синусоидальную зависимость либо выбрать более сложную математическую функцию. Практически для любой такой зависимости можно подобрать молекулярно-коммутационную сеть, которая будет воспроизводить ее с высокой точностью.
Помимо вклада в фундаментальное понимание работы живых организмов, исследование открывает перспективы создания биосенсоров и биотехнологических производств, которым не потребуется поддерживать столь строгие внешние условия. Например, молекулярные системы смогут самостоятельно компенсировать колебания температуры, помогая сохранять стабильность биохимических процессов.
Однако в биотехнологических производствах изменение параметров раствора, например, концентрации растворенных солей, может иметь даже больший эффект, чем температура. Оказалось, открытый принцип самостабилизации работает не только с температурой, но и с изменением ионной силы среды — еще одного из важнейших факторов для биологических реакций. Случай нуклеиновых кислот особенно показателен — для них концентрация ионов влияет на прочность связывания во многом аналогично температуре. Благодаря этому исследователям удалось создать сигнальные системы, сохраняющие работоспособность даже при десятикратном изменении концентрации важных биологических ионов — натрия и магния.
«Сегодня биотехнологический реактор во многом похож на завод, за которым приходится непрерывно следить извне: контролировать температуру, состав среды, концентрации веществ и множество других параметров. Наше новое открытие дает возможность перенести часть этого контроля внутрь самой системы, что позволит сделать производство белков и другие сложные биотехнологические процессы более устойчивыми и менее зависимыми от постоянного внешнего контроля», — отметил Егор Коренков.
Обнаруженный эффект самостабилизации молекулярных сетей — только одно из проявлений целого направления. По словам ученых, молекулярная коммутация — по-настоящему большое поле исследований, в котором скрыто множество принципиально новых концепций.
Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования России и Российским научным фондом. Работа опубликована в журнале Nature Communications.