Energieverbruik en samenwerking essentieel voor optimale chemische detectie

Een groep internationale onderzoekers bestaande uit Wave Ngampruetikorn en David Schwab van de City University New York en Greg Stephens van de afdeling Natuurkunde van de Vrije Universiteit Amsterdam, ontdekte dat de strategieën voor het organiseren van cellulaire chemische sensoren (chemoreceptoren) om de gevoeligheid te optimaliseren zowel afhankelijk zijn van de betrouwbaarheid van deze sensoren als van de hoeveelheden die ze waarnemen.  

24-03-2020 | 11:27

Chemische detectie is essentieel voor biologische functies: bacteriën leiden uit de concentraties van chemische stoffen af waar voedingsstoffen en gifstoffen zich bevinden, en ons afweersysteem werkt dankzij het vermogen vreemde moleculen te detecteren (vaak in zeer lage concentraties). Maar we begrijpen nog niet helemaal hoe cellen deze taken zo nauwkeurig kunnen verrichten. Greg Stephen en zijn team hebben een model ontwikkeld om de beginselen te begrijpen die zulke prestaties mogelijk maken. Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications.

Sensorische schattingen
Stephens legt uit: "Cellen bevatten aan de oppervlakte een groot aantal sensorische receptoren die je zou kunnen vergelijken met de diverse luchtsnelheidsmeters – pitotbuizen – die uit de neus van een vliegtuig steken. Met meerdere sensoren is het natuurlijk de vraag hoe een cel de koppelingen tussen de sensoren regelt om tot een zo nauwkeurig mogelijke sensorische schatting te komen."

Energie is kostbaar
De onderzoekers wilden ook erachter zien te komen onder welke omstandigheden het voor de cel belangrijk is om energie te verbruiken. Stephens: "Zoals bij alle levende systemen is energie vaak een zeer waardevol goed. Verschillende sensorische indelingen vereisen verschillende hoeveelheden energie voor het detectieproces."

Levende systemen begrijpen
Om deze vragen te beantwoorden, bedachten de onderzoekers een model dat eenvoudig genoeg was voor een kwalitatieve verkenning, maar ook complex genoeg om de belangrijkste verschijnselen te illustreren. Deze benadering voor het begrijpen van levende systemen is gebaseerd op de theoretische natuurkunde. Stephens: "Ons model ontwikkelt het conceptueel nieuwe onderzoeksgebied van detectiedynamiek in een toestand zonder evenwicht en geeft op die manier een nieuwe kijk op eerder belangrijk werk op het gebied van diverse systemen, van neurale netwerken tot ontwikkelingsbiologie van dieren en tijdsbepaling op basis van meervoudig uitleesbare genen. We gebruiken de hulpmiddelen en concepten van de statistische natuurkunde en informatietheorie, die een kwantitatieve taal bieden voor het begrijpen van de wisselwerking tussen energieverbruik, interacties en informatie."

Energie verbetert niet altijd de prestaties
Ze ontdekten dat de strategieën voor het organiseren van cellulaire chemische sensoren (chemoreceptoren) om de gevoeligheid te optimaliseren zowel afhankelijk zijn van de betrouwbaarheid van deze sensoren als van de hoeveelheden die ze waarnemen. Als een sensorencomplex energie mag verbruiken (geen evenwicht), leidt dat verrassend genoeg niet altijd tot betere prestaties: energieverbruik is alleen nuttig als de sensoren zelf betrouwbaar zijn en de signalen redundant zijn. Redundantie treedt op als de signalen op de twee sensorpunten een sterke correlatie vertonen, zoals het geval is met twee chemische stoffen die beide ontstaan zijn in hetzelfde proces.

Stephens besluit: "Levende systemen zijn ongelofelijk gevarieerd in de fenomenologie van hun gedrag. In tegenstelling tot deeltjesfysica of zwaartekracht kennen we de grondbeginselen van het leven niet en weten we zelfs niet of ze bestaan. In de context van optimale detectie schept ons werk hier een kader dat helpt naar zulke beginselen te zoeken."