Effektiva celler behöver bromsa lagom
Hur cellerna reglerar sin egen funktion genom att ”gasa och bromsa” är viktig grundkunskap när nya smarta mediciner ska utvecklas, eller växtceller förmås att producera mer bioenergi. I en studie som publiceras i den ansedda tidskriften Nature Communications visar forskare vid Uppsala och Umeå universitet en modell över hur cellernas styr- och reglersystem fungerar.
I alla levande celler finns ett liknande typ av styr- och reglersystem som man kan hitta i dagens smarta mobiltelefoner. Precis som din telefon processar en mängd information som vi ger den, så processar cellerna ständigt information om sin omgivning och inre miljö. I cellerna skickas och processas informationen via ett stort nätverk av interaktioner mellan signalmolekyler.
I elektroniska kretsar är det vanligt med negativ feedback, en ”bromsfunktion”, för att göra signalerna tydliga och att minska på brus som kan göra att viktig information missas. Cellerna utnyttjar också denna teknik för att minska på oönskat brus. Närmare hälften av alla signalmolekyler som styr vilka gener som ska vara på eller av reglerar sitt eget genuttryck genom biokemiska reaktioner som fungerar som broms.
– Om antalet signalmolekyler är fler än det önskade så stänger dessa av sin egen tillverkning under en kort stund, för att sedan återuppta den. Skillnaden mellan feedback i elektroniska system och biologiska system är att den i biologiska system är mycket mer oprecis och långsam, förklarar Andreas Grönlund, förste författare och numera verksam vid Umeå universitet.
Tillsammans med professorerna Per Lötstedt och Johan Elf, båda Uppsala universitet, har han med hjälp av nya mätdata och matematiska modeller kunnat räkna ut hur länge molekylerna ska sitta kvar på sina bindningsställen för att feedbacken ska bli lagom stark och lagom snabb för att bruset ska reduceras så mycket som möjligt.
Beräkningarna visade att molekylerna bör binda betydligt svagare än vad man tidigare har trott, en egenskap som sedan visade sig stämma väl överens med den bindningsstyrka som globala reglermolekyler i bakterien E. coli uppvisade.
– En bilförare behöver förstå när och hur hårt man ska trycka på bromsen i olika situationer och åt vilket håll man ska vrida ratten i en vänstersväng. På motsvarande sätt behöver vi öka förståelsen om cellernas styr- och reglersystem för att kunna framställa nya smarta mediciner när regleringen inte fungerar eller för att kunna styra växtceller att generera grön energi genom smartare biomassaproduktion, säger Andreas Grönlund.
Läs avhandlingen: Transcription factor binding kinetics constrain noise suppression via negative feedback. Nature Communications.
