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Der Austausch zwischen Zellen erhöht Genauigkeit von Signalschätzung

Ein zufälliges Umgebungssignal Z(t) wird von jeder Zelle mit Hilfe ihres internen Sensormoleküls M(t) geschätzt, das zu benachbarten Zellen transportiert werden kann, um Informationen auszutauschen und die Qualität der Schätzungen zu verbessern © Bahadorian et al. MPI-CBG/CSBD

In biologischen Systemen müssen Zellen Umweltsignale abschätzen, um zuverlässige Entscheidungen zu treffen und ihre Funktionen richtig auszuführen. Beispielsweise muss ein Epithelgewebe, das die Oberfläche von Organen umschließt, entscheiden, ob es auf eine bestimmte Konzentration von Stress-Signalmolekülen reagieren soll. Die dynamische Signaleinschätzung (= wenn sich die Signalkonzentration mit der Zeit ändert) durch eine einzelne Zelle und die statische Signalabtastung in Zellgemeinschaften (z.B. bei Alle-an-Alle-Kommunikation) wurden bereits analysiert. Allerdings fehlte bisher ein theoretischer Rahmen zur Untersuchung der Bewertung eines dynamischen Signals durch viele Zellen, die über ein komplexes Netzwerk kommunizieren.

Die Gruppe von Carl Modes hat nun zusammen mit Christoph Zechner, beides Forschungsgruppenleiter am Zentrum für Systembiologie Dresden (CSBD) und am MPI-CBG, ein theoretisches Modell entwickelt, das den Einfluss der Zellkommunikation auf die Präzision der Signalabschätzung beschreibt. In ihrer kürzlich in Physical Review Research veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher, dass, wenn Rauschen ausschließlich durch zufällige chemische Reaktionen entsteht, die Kommunikation die Geschwindigkeit erhöht, mit der eine Übereinstimmung erzielt wird, während die Präzision der Schätzung unverändert bleibt. Wenn jedoch die Variabilität der Werkzeuge, die von jeder Zelle zur Signalinterpretation verwendet werden (= Zell-zu-Zell-Variabilität), zum Gesamtrauschen beiträgt, erhöht die Kommunikation einer Zelle mit ihren Nachbarn die Präzision der Schätzung.

Mohammad Bahadorian, Doktorand in Carls Gruppe und Erstautor der Studie, sagt: "Es ist sehr interessant, dass bei zufälligen Reaktionsparametern in jeder Zelle Zellen, die ihre unterschiedlichen Bewertungen miteinander teilen, die Präzision ihrer Einschätzung erhöhen. Es ist wie bei Wissenschaftlern: Man kann sie als verschiedene Elemente in einer Gemeinschaft betrachten, die versuchen, Informationen über einen unbekannten Prozess zu sammeln. Ihre Ausrüstung und Methoden sind unterschiedlich, aber wenn sie anfangen, miteinander zu kommunizieren und ihre Ergebnisse auszutauschen, verbessert das das allgemeine Verständnis dieses Phänomens."

Carl Modes, der die Arbeit beaufsichtigte, fügt hinzu: "Es gibt eine klare Anwendung in der Biologie, wo zum Beispiel eine Gruppe von Zellen in einem sich entwickelnden Embryo ein Umweltsignal abschätzen und mit höchstmöglicher Zuverlässigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Entscheidung treffen muss. Unsere Ergebnisse können auch Auswirkungen auf jedes andere System haben, in dem kommunizierende Elemente ihre verrauschten Messwerte teilen, um ein unbekanntes Signal besser einschätzen zu können."

Originalveröffentlichung

Mohammadreza Bahadorian, Christoph Zechner, and Carl D. Modes: "Gift of gab: Probing the limits of dynamic concentration-sensing across a network of communicating cells" Phys. Rev. Research 2, 023403,
Published 25 June 2020. DOI: doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.023403