細(xì)胞如何在大量噪音的情況下建立起有效的通訊系統(tǒng)？

細(xì)胞是一個(gè)動(dòng)態(tài)體系，每時(shí)每刻都有大量的生化反應(yīng)在進(jìn)行。對(duì)于信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)充斥著高水平的噪音。

那么細(xì)胞是怎樣在這種條件下準(zhǔn)確傳遞化學(xué)信號(hào)的呢？

只有正確處理外界環(huán)境的信號(hào)細(xì)胞才能夠生存。然而生化反應(yīng)或細(xì)胞狀態(tài)的變化，讓細(xì)胞難以檢測(cè)到信號(hào)的濃度，只能感知一個(gè)活化配體存在與否。加州大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，準(zhǔn)確記錄了化學(xué)信號(hào)的濃度。在體外培養(yǎng)的人類細(xì)胞中，這種動(dòng)態(tài)應(yīng)答能夠有效從噪音環(huán)境中識(shí)別信號(hào)，避免在信號(hào)傳遞過(guò)程中出現(xiàn)信息損失。

細(xì)胞對(duì)外界化學(xué)信號(hào)的應(yīng)答，取決于自己的生理狀態(tài)。但細(xì)胞生理狀態(tài)存在顯著的波動(dòng)，比如說(shuō)細(xì)胞中各種蛋白的含量會(huì)出現(xiàn)高達(dá)25%的變動(dòng)。

這是相當(dāng)大的噪音，細(xì)胞需要一個(gè)特別的解決方案。

研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞并沒(méi)有一次次地捕捉細(xì)胞外化學(xué)信號(hào)的濃度，而是通過(guò)持續(xù)應(yīng)答反映信號(hào)水平。信息學(xué)理論表明，這種方式可以消除細(xì)胞狀態(tài)變化造成的“噪音”。

為了了解細(xì)胞如何編碼化學(xué)信號(hào)的水平，將顯微成像與信息學(xué)理論結(jié)合了起來(lái)。他們研究了三個(gè)不同的化學(xué)通訊系統(tǒng)，鈣離子、ERK和NF-κB。這三種類型的信號(hào)傳導(dǎo)分別持續(xù)幾分鐘、一小時(shí)和差不多十小時(shí)。

研究團(tuán)隊(duì)用一個(gè)特殊的顯微鏡系統(tǒng)記錄了細(xì)胞對(duì)這三種信號(hào)的應(yīng)答。這個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)大量細(xì)胞進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)控，為人們展現(xiàn)細(xì)胞應(yīng)答不同信號(hào)時(shí)發(fā)生的變化。