Введение в количественную биологию

Васильев Алексей Артёмович при участии Окштейна Игоря Леонидовича

(семинары в рамках лекционно-семинарского курса «Основы биологии»)

Часть 1 (осенний семестр)

Введение

Бактерия как пример клетки, способной к сложному поведению

Клетка представляет собой довольно сложное образование, способное как к индивидуальному воспроизводству, так и к жизнедеятельности в составе многоклеточного организма.

Пример отдельной клетки, способной к сложному поведению – это подвижная бактерия, способная находить источник пищи.

Как ориентир с точки зрения потребностей и возможностей количественного описания на молекулярном уровне можно рассматривать поведение бактерий. Интересно обсудить алгоритм движения бактерий по статье Громова и возможности анализа (теоретической реконструкции) этого алгоритма.

Приложение. Статья Б.В. Громова «Поведение бактерий». СОЖ, №6, 1997, с. 28–32.

Движение бактерии (например, кишечной палочки) происходит за счет работы жгутиков. Жгутик закручен против часовой стрелки. Поэтому при вращении каждого жгутика против часовой стрелки все жгутики свиваются (образуется единая спираль) и тогда движение происходит по прямой. При вращении по часовой стрелке жгутики развиваются, и тогда происходит вращение всей бактерии случайным образом с потерей ориентации.

Известно, что бактерия реализует алгоритм с чередованием случайной переориентации и движения по прямой. При этом расстояние, проходимое при одном броске, регулируется в зависимости от концентрации пищи (20–80 мкм, чем больше пищи, тем короче бросок).

В результате она оказывается способна находить источник пищи быстрее, чем при случайном блуждании.

Реально это так, хотя алгоритм нужно анализировать, чтобы понять его работоспособность и наличие решений, которые в нем использованы и увеличивают эффективность поиска пищи.

Естественно, интересны решения, которые могли бы увеличить эффективность, но почему-то не использованы.

Практическая реализация бактерией любого алгоритма требует получения информации из внешней среды, ее превращения (для чего используется информация в геноме). Для реализации описываемого алгоритма необходимы точные измерения концентрации (бактерия способна различать 1000 градаций концентрации) и память (очевидно эффективно сравнение результатов измерения концентрации пищевых молекул до броска и после него). Кроме того, нужны управляющие решения и их реализация в биохимическом исполнении. Для механического движения и осуществления других функций необходимо энергетическое снабжение... Есть и другие проблемы в связи с бактериальным движением такого рода.

Иными словами для осуществления процессов нормальной жизнедеятельности клетки нужна реализация многочисленных потребностей разного рода, с использованием возможностей молекулярного конструктора (т.е. возможностей, которые есть при конструировании на молекулярном уровне).

Другая сторона обсуждения наблюдаемых проявлений жизнедеятельности – это обсуждение причин наблюдаемого выбора из возможного набора решений. В частности, в связи с конкретным механизмом движения бактерии можно сформулировать многие важные вопросы, на которые было бы интересно получить ответы.

Чем определена характерная длина броска и диапазон его изменения? Почему характерная скорость составляет 30 мкм/с? Кишечная палочка тратит на работу жгутика 0,1% расходуемой ею энергии. Почему именно такова мощность одного жгутика? Можно ли обосновать число жгутиков (их у кишечной палочки 6-7)? Каково потребление энергии для движения и как оно соотносится с другими затратами? Известно, что подвижные бактерии имеют характерный размер около 1 мкм, можно ли его обосновать? Как от размера бактерии зависит успешность стратегии поиска пищи?

Систематически применяемый подход можно представить как дерево рассуждений: на некотором уровне фиксируем организацию как заданную, и пытаемся объяснить наблюдаемые количественные характеристики, на следующем уровне – пытаемся объяснить эту организацию как целесообразную, на следующем уровне – пытаемся понять общие принципы жизнедеятельности в привязке к физической реальности и т.д.

В этой связи полезно ввести некоторые определения. Обсуждение связей между величинами в рамках заданной организации и определяющих ее характеристик (как биологических постоянных по аналогии с физическими константами) – это количественная биология. Задача обоснования заданной организации с наиболее общих позиций (по аналогии с теоретической физикой при описании физической реальности) – это теоретическая биология. Этим подходам предшествует понимание того или иного механизма в целом – функциональная биология. А получение и использование традиционных фактологических описаний – это описательная биология.

Можно сформулировать еще несколько типов задач в терминах перечисленных наук. Например, можно попробовать понять, какой должна быть экономическая стратегия (распределение и последовательность затрат на исполнение различных жизненных функций) одноклеточного организма (в зависимости от положения в систематике микроорганизмов и способа питания), учитывая необходимость воспроизводства. Она отличается у организмов разных размерных классов и можно обосновать наблюдаемые варианты выбора как целесообразные.

Другая задача – в каком количественном соотношении в процессах жизнедеятельности необходимо присутствие и участие различных классов молекул и составленных из них структур. Насколько универсальными они могут и должны быть – третья задача.

Для решения задач такого рода нужны широкие знания не только в разных областях биологии, но и физики, химии, математики, техники, экономики и т.д.

Конкретно, наблюдаемые процессы необходимо представлять и описывать в терминах теории управления, молекулярной физики, химической кинетики и т.д. Для описания движения в вязкой среде также нужны различные подходы – физические, экономические, биоинженерные.

Нужны также статистические расчеты (выход на статистическую физику и теорию вероятностей), численные расчеты (вычислительная математика и умение программировать) и анализ алгоритмов, подход к описанию движения клетки как сложной структуры (где важна клеточная мускулатура, энергетика, возможности управления движением и т.д.) Не менее важные аспекты – молекулярные датчики, усиление, распознавание различных сигналов и ситуаций (оценка рациональной чувствительности – с учетом возможных флуктуаций концентрации), экономический анализ поведения (количественное выражение возможностей и целесообразности в связи с ними). Интересны также проблемы кодирования информации и взаимодействия генов (на примере относительно короткого генома: связь генов и свойств отдельных структур, набор минимально необходимых генов и т.п.)