Cellen verwerken meer informatie door signalen te clusteren
Levende cellen moeten voortdurend beslissingen nemen op basis van informatie uit hun omgeving. Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF ontdekten dat het clusteren van signalen cellen in staat stelt meer informatie te verwerken. Cellulaire berekeningen worden door het clusteren nauwkeuriger en zo kunnen cellen beter beslissingen nemen, bijvoorbeeld over of ze zich moeten delen of niet. De onderzoekers publiceren hun resultaten deze week in Proceedings of the National Academy of Sciences.
Informatie ontvangen
Cellen ontvangen informatie vanuit hun omgeving via receptoreiwitten aan hun oppervlak, die moleculen in de omgeving detecteren. Recente experimenten lieten zien dat deze receptoren niet willekeurig zijn verdeeld over het celoppervlak, maar dat ze voorkomen in clusters van vijf tot tien moleculen. Het voordeel van deze clustering, en de oorsprong van deze karakteristieke clustergrootte, waren tot nu toe niet duidelijk. Onderzoek van de groep van prof.dr. Pieter-Rein ten Wolde toonde aan dat de clustering voor minder ruis in het signaal zorgt en voor optimalisatie van de informatieoverdracht.
Clusteren vermindert ruis
Wanneer receptoreiwitten moleculen in de omgeving detecteren, activeren zij andere eiwitten die het signaal de cel insturen. Deze activatie is echter niet permanent; eiwitten schakelen voortdurend tussen een actieve ('aan') en een inactieve ('uit') toestand. Dit schakelen is een grote bron van ruis, die de kwaliteit van het signaal negatief beïnvloedt. De onderzoekers ontdekten dat het opdelen van eiwitten in clusters de ruis sterk vermindert. In plaats van dat alle eiwitten tegelijk schakelen, schakelen de moleculen nu binnen een cluster tegelijk, terwijl de verschillende clusters onafhankelijk van elkaar schakelen. De cel middelt vervolgens de activiteit van de verschillende clusters, wat een betrouwbaarder signaal oplevert.
Optimaliseren van informatieoverdracht
Om de karakteristieke clustergrootte te verklaren pasten de onderzoekers ideeën toe uit de informatietheorie die Claude Shannon in 1948 ontwikkelde om telecommunicatie te verbeteren. Uit berekeningen volgde dat er een optimale clustergrootte bestaat waarbij het aantal bits aan informatie maximaal is. Deze theoretisch optimale grootte bleek vijf tot tien moleculen; verrassend genoeg dus precies zoals die in experimenten was waargenomen! Dit toont aan dat cellen moleculen clusteren om cellulaire berekeningen nauwkeuriger uit te voeren en informatieoverdracht te optimaliseren.
Contact
dr. Andrew Mugler, +31 (0)20 754 73 69
prof.dr. Pieter-Rein ten Wolde, +31 (0)20 754 72 81
Referentie
Andrew Mugler, Filipe Tostevin, en Pieter Rein ten Wolde, Spatial partitioning improves the reliability of biochemical signaling, Proc. Natl. Acad. Sci. USA (Early Edition, 25 maart 2013)