Команда исследователей KAIST под руководством профессора Кван-Хюна Чо из департамента био- и мозговой инженерии впервые определила причинные цепи, отвечающие за необратимость в внутриклеточных молекулярных сетях, и разработала технологию управления под названием ROOT, которая позволяет восстанавливать биологические состояния до исходных. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Об этом сообщает издание Phys.org.
Клетки человеческого тела меняют своё состояние в ответ на внешние стимулы, однако часто эти изменения необратимы: даже после исчезновения стимула клетки не возвращаются в исходное состояние. Необратимость необходима для нормальных процессов, таких как дифференциация клеток, но она же способствует прогрессированию заболеваний — например, эпителиально-мезенхимальному переходу, который даёт раковым клеткам способность мигрировать и проникать в окружающие ткани.
Внутри клетки более тысячи петель положительной обратной связи поддерживают изменения состояния, подобно тому как звук усиливается при размещении микрофона рядом с динамиком. Технология ROOT, расшифровывающаяся как Revelation Of the Original circuit of irreversible Transition, представляет внутриклеточные регуляторные процессы в виде вычислительных логических моделей и анализирует их методами системной биологии.
С помощью ROOT команда смоделировала процесс, в котором клетки сохраняют сигнал после удаления внешнего стимула, и выявила набор ключевых цепей, названных «ядром необратимости». Исследователи предложили две стратегии управления: «сброс» возвращает клетку в состояние до изменения, сохраняя её свойство необратимости, а «обращение» устраняет сам источник необратимости, позволяя клетке свободно переходить между состояниями.
Метод протестировали на моделях дифференциации B-клеток, эпителиально-мезенхимального перехода при раке лёгких, а также на моделях дифференциации энтероцитов и бета-клеток на основе данных одноклеточной транскриптомики. ROOT точно определил причинные цепи, совпадающие с известными детерминантами клеточной судьбы. По словам Чо, технология позволит разрабатывать новые стратегии лечения, восстанавливающие аномально зафиксированные состояния клеток — такие как при раке и старении — до нормальных.