从实验室到电脑，物理学家认为这样能更好的理解细胞

　　

我们身体检测疾病、异物、食物来源和毒素的能力由包围我们细胞的一系列化学物质以及我们细胞“阅读”这些化学物质的能力决定。细胞是高度敏感的，但是研究人员还不清楚免疫系统是如何被一个外来分子或离子触发。

现在，冲绳县科学技术学院（OIST）研究生院生物物理学理论组的科学家和纽约城市大学的合作科学家建立了一个模型来确定细胞在不同环境下可能采用哪些手段来提高敏感性，从而揭示我们身体中的生化网络运作。

“这个模型将复杂的生物系统抽象成一个简单易懂的数学框架，”前OIST博士后研究员、这篇《Nature Communications》杂志的第一作者Vudtiwat Ngampruetikorn博士说。“我们可以用它来梳理细胞如何选择花费有限的能量，这取决于周围的世界和可能正在交谈的其他细胞。”

通过为这个生物学问题提供一个定量工具，物理学家们发现了一些与生物学家不同的看法。生物学家倾向于专注于一个领域并深入研究细节，而物理学家则简化并寻找整个系统的模式。“我们必须密切合作，以确保我们的量化模型不太抽象，并包括重要的细节，”理论组组长Greg Stephens教授说。

科学家们在电脑上创造了一个代表细胞的模型。这个细胞有两个对细胞外的环境作出反应的传感器（或信息处理单元）可以从外部与分子或离子结合，也可以不结合。当细胞外化学混合物中的分子或离子数量发生变化时，传感器会做出反应，根据这些变化，要么与新的分子或离子结合，要么解开束缚。这使得细胞能够获得外界的信息，从而让科学家们能够测量哪些因素会影响它的灵敏度。

“一旦我们有了这个模型，我们就可以测试各种各样的问题，”Ngampruetikorn博士说，“例如，如果我们允许细胞消耗更多的能量，它是否会更敏感？或者让两个传感器合作？细胞先前的经历如何影响其敏感性？”

科学家们研究了让细胞消耗能量和让两个传感器相互作用是否有助于细胞获得更高水平的灵敏度。他们还决定改变“背景噪音”（化学混合物中的不确定性或不必要的信息量）和“信号先验”（细胞从过去的经验中获得的知识）来看看是否有影响。

先前的研究发现，能量消耗和传感器的相互作用对细胞的敏感性很重要，但这项研究发现并不总是这样。在某些情况下，比如化学混合物的噪音很低，不同化学物质之间的相关性很高，科学家们发现，让细胞消耗能量，让传感器相互作用，确实有助于它达到更高的灵敏度。然而，在其他情况下，比如如果有更高的噪音，情况就不是这样了。

Stephens教授解释说：“这就像是在收听收音机。如果有太多的静电（或噪音），打开收音机通过能量和相互作用放大信号没有任何好处。”

Ngampruetikorn博士解释，在许多情况下，能量消耗和传感器相互作用仍然是重要的机制。
他说：“继续使用这个模型来确定能量消耗对细胞敏感度的确切影响是很有意思的。”

这篇文章专门研究了细胞对周围环境的反应，但作者强调，模型的总体框架可以用来阐明整个生物世界的感知策略。Stephens教授解释说，虽然要描述孤立的、独立的系统需要付出巨大的努力，但寻找共同原则的工作要少得多。如果我们能找到这些原则，那么它就可以更新我们对从细胞通讯和大脑，到动物行为和社会互动等生物系统功能的理解。”

原文检索：Energy consumption and cooperation for optimal sensing

（生物通：伍松）