핸드폰 속삭임, 고속도로, 공항 또는 기차 근처에 사는 가족, 음악을 좋아하는 통근자, 심지어 개별 세포까지는 소음이 피할 수없는 삶의 사실입니다. 일상적인 인간 경험에서 성가신 것은 종종 관리 가능합니다. 방음 장벽과 소음 제거 헤드폰은 음악이나 침묵의 달콤한 소리에서 카코 포니를 문지르는 데 도움이됩니다. 그러나 모든 생명체를 구성하는 세포의 경우, 소음 (소음)은 외부 환경의 무작위 변동성을 의미하는 식품 공급원, 병원균 및 치명적인 독소 또는 세포 자체 내에서 임의의 과정을 포함하여 생명과 죽음의 문제가 될 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 과학자들은 세포 내부가 놀랍도록 시끄러운 곳이라는 것을 발견하여 내면의 작업이 규칙적이고 예측 가능하다는 오랫동안 가정을 뒤집습니다. 세포 내의 분자는 무작위로 이동하고 상호 작용하는데, 이는 거의 모든 세포 활성에 필요한 RNA 및 단백질의 생산과 같은 후속 생화학 적 반응이 또한 무작위 성의 요소를 가지고 있음을 의미합니다. 해당 메커니즘을 구동하는 기계가 분자 동요라면 셀은 어떻게 먹고, 나누고, 차별화 할 수 있습니까? 예를 들어, 배아의 발달은 특정 패턴의 조직을 생성하기 위해 예측 가능한 유전자 활성의 파도에 의해 조정 된 잘 프로그래밍 된 과정처럼 보입니다. 이 광범위한 소음 속에서 어떻게 나타날 수 있을까요?
캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 물리학자인 마이클 엘로 위츠 (Michael Elowitz)는“나는 캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 물리학자인 마이클 엘로 위츠 (Michael Elowitz)는“나는 캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 물리학자인 마이클 엘로 위츠 (Michael Elowitz)는 말했다. “이제 나는 모든 종류의 세포 행동을 볼 수있는 렌즈로 소음을 본다.”
소음을 연구하려는 대부분의 초기 노력은 세포 가이 본질적인 무작위성을 다루는 방법에 초점을 맞추 었으며, 이는 성가신 것에서 치명적인 것에 이르기까지 부작용이 있습니다. 그러나이 분야가 진화함에 따라 더 많은 과학자들은 세포가 실제로 내부 소음을 사용하여 예측할 수없는 환경의 외부 소음에 대처할 수있는 방법을 탐구하기 시작했습니다. 분자 활동의 무작위 버스는 모든 방식의 세포 결정, 심지어 세포가 선택한 정체성조차도 유발할 수 있습니다. 이제 과학자들은 소음이 주로 세포가 보호 해야하는 위험한 적인지, 때로는 동맹인지, 때로는 진화가 행동 할 수있는 잠재적 인 특성을 가진지 묻습니다. 두 경우 모두 사실 일 수 있습니다. Elowitz는“소음은 일부 유형의 세포 행동에 대한 장애물이자 다른 사람들에게 유용한 기능이 될 수 있습니다.
예를 들어, 소음 기반 접근법은 미생물에서 베팅을 헤지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 투자자들이 예측할 수없는 시장으로부터 보호하기 위해 포트폴리오를 다양 화하는 것처럼 박테리아 인구는 소음을 사용하여 변덕스러운 세계를 다루는 방법을 변화시킵니다.
다수의 연구에 따르면 미생물 유전자의 무작위 변동은 일부 미생물이 휴면, 약물 내성 상태로 뭉개져 트리거하는 것으로 나타났습니다. 박테리아 지속성으로 알려진이 현상은 일부 감염이 근절하기 어려운 이유 중 하나입니다. 다양한 박테리아 개체수 내에서 빠르게 성장하는 미생물이 일반적으로 더 좋습니다. 그러나 항생제에 부딪히면 휴면 미생물이 살아남은 미생물입니다. 보스턴 대학교의 바이오 엔지니어 인 제임스 콜린스 (James Collins)는“대통령이 연방 연설을하고 내각의 한 구성원을 공개되지 않은 위치로 보내는 것과 같습니다.
유익한 소음의 새로운 예가 밝혀지면서 과학자들은 세포 행동, 진화 및 인간 건강에 대한 영향을 더 잘 이해하기 위해 노력하고 있습니다. "소음의 기능적 결과는 무엇입니까?" 샌프란시스코 캘리포니아 대학의 생물 물리학자인 Leor Weinberger는 말했다.
소음의 영향을 정확히 찾아내는 것은 감염 및 아마도 암에 대한 치료를 개발하는 데 중요합니다. Elowitz는“항생제 지속성은 소음이 전염병에 즉각적인 영향을 미치는 훌륭한 예입니다. (지속성은 항생제 내성과 다릅니다. 항생제 내성은 휴면 상태가 아닌 미생물 DNA의 돌연변이가 약물을 견딜 수있게 할 때 발생합니다.)
세포에서 소음이 어떻게 작용하는지 이해하면 과학자들이 유전학에서 당황한 발생을 설명하는 데 도움이 될 수 있으며, 잠재적으로 강력한 돌연변이는 모든 개인에게 영향을 미치지 않습니다. 연구에 따르면 유전자 활동의 무작위 변동은 부분적인 침투로 알려진 현상의 일부 사례를 설명 할 수 있으며, 이는 일부 인간 질병에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.
.유전자 활동의 측정과 같은 대부분의 생물학적 기술이 많은 세포의 출력을 평균하여 개별 변동성을 지우기 때문에 소음은 전통적으로 생물학에서 연구하기가 어려웠습니다. 그러나 단일 세포를 포착 할 수있는 새로운 고해상도 이미징 기술의 개발로 인해 과학자들은이 수준에서 소음을 안정적으로 차트로 만들고 그것이 행동에 어떤 영향을 미치는지 연구 할 수있었습니다. Elowitz는“우리는 생물학의 혁명의 한가운데에 있으며, 세포 평균 분석에서 개별 세포의 특성을 살펴 보는 것으로 전환하고있다”고 말했다. "그것은 많은 것들에 대한 우리의 견해를 바꾸고 있습니다."
Elowitz와 그의 공동 작업자가 처음으로 단일 세포에서 무작위 유전자 활동을 매핑했을 때 2002 년 전환점이 발생했습니다. Elowitz의 팀은 크리스마스 조명처럼 깜박 거리는 박테리아를 엔지니어링하려고 노력했습니다. 노력은 효과가 있었지만 번쩍임은 정기적이지 않고 불규칙했다. 심지어 동일한 셀조차도 빠르게 동기화되지 않았다고 그는 말했다. 생물 학자들이 시끄러운 세포가 얼마나 많은지 전혀 몰랐다는 것을 깨닫고, Elowitz는 더 많은 것을 배우기 시작했습니다.
연구원들은 두 개의 유전자 사본으로 시작했는데, 이는 생산 한 형광 색상을 제외하고는 빨간색 또는 녹색을 제외하고 동일했습니다. 유전자 활성이 규칙적이고 결정적인 방식으로 제어되는 경우, 유전자는 동일한 양의 적색과 녹색 빛을 생성해야하며, 이는 세포를 노란색으로 만들기 위해 결합됩니다. 그러나 시끄럽고 무작위 과정이라면 두 유전자의 활동은 다르며 일부 세포는 많은 녹색과 다른 세포가 많은 빨간색 또는 다른 많은 변형을 생성합니다. 2002 년 과학 표지에 발표 된 결과 효과는 세 가지 색상 모두의 축제 조합입니다. Elowitz는“이것은 소음의 모습입니다. "셀이 비 결정적 기계라는 것을 볼 수 있습니다."
소음이 중요한 세포 결정에 영향을 줄 수 있는지 여부를 알아 내기 위해 Elowitz와 그의 공동 작업자들은 박테리아로 향했고, 이는 가끔 환경에서 외국 DNA를 집어 들고 게놈에 통합하는 습관이 있습니다. 잠재적으로 높은 보상을받는 위험이 높은 활동입니다. 외래 DNA는 세포를 죽일 수있는 바이러스 성 유전자를 함유 할 수 있거나, 세포를 독에 내성으로 만드는 유전자 모듈을 보유 할 수 있습니다. 연구원들은 항생제와 같은 환경 재앙에 부딪히면 여분의 DNA를 가진 세포가 생존 할 도구를 가질 가능성이 더 높다고 이론화합니다. 다시 한번, 박테리아는 베팅을 헤딩하는 것처럼 보입니다.
세포의 작은 소집단은 세포가 동일한 조건 하에서 유 전적으로 동일하고 성장하는 경우에도 주어진 시간에 "역량"으로 알려진 상태 인 DNA를 집어 올릴 수있다. Elowitz의 실험실의 박사후 연구원 인 Elowitz와 Gurol Suel은 유능한 결정이 임의의 유전자 활동에 의해 관리되어 긍정적 인 피드백 루프를 유발한다는 것을 발견했습니다. Elowitz는 화장실의 손잡이를 흔들리는 데 비유합니다. 핸들을 가볍게 흔들어 가끔 우연히 플러시가 시작됩니다. "셀에서 소음은 셀 운명 결정을 제어하는 끊임없이 '손잡이를 지그고있다'고 말했다. 자연에 발표 된이 연구는 소음이 생물학적 기능을 수행 할 수 있음을 보여준 최초의 연구 중 하나였습니다.
2009 년에 Suel은 텍사스 대학교에서 자신의 실험실을 이끌고 Elowitz는 다시 앞으로 밀려서이 소음이 세포의 생존에 영향을 줄 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 유전자 상태를 트리거하고 두 균주를 비교하는 유전자 회로의 덜 시끄러운 버전을 설계했습니다. 광범위한 조건에서, 소음이있는 회로가있는 박테리아는 생존 할 가능성이 더 높습니다.
Elowitz는“당시에는 적어도 인간의 엔지니어링 시스템과 비교할 때 생명의 부족으로 일종의 성가신 소음으로서의 널리 퍼져있는 것처럼 보였다”고 말했다. “저는 사람들이 소음을 줄이기 위해 영리한 방법을 고안하고 소음을 사용하여 측정을하기 위해 더욱 영리한 방법을 고안하는 물리학에서 왔습니다. 그래서 물리학 적 배경이 물리학 자와 같은 세포가 소음을 사용하는 방법도 제시했는지 궁금해했다고 생각합니다.”
.샌디에고 캘리포니아 대학교 (University of California)의 수엘 (Suel)과 그의 협력자들은 이제 소음이 지역 사회 전체에 어떤 영향을 미치는지 알아 내려고 노력하고 있습니다. “세포는 서로의 소음을 알고 있습니까? 세포의 이웃이 매우 시끄럽다면, 그 세포도 시끄러워야합니까?” 그는 물었다. "세포에 대한 세포 관계와 세포 간의 영향은 매우 잘 이해되지 않습니다."
.소음의 결과는 미생물에 국한되지 않습니다. 소음은 인간을 포함한보다 복잡한 유기체의 발달에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 배아는 미분화되지 않은 세포의 질량에서 분화 된 조직으로 진행하기 위해 다수의 메커니즘을 사용합니다. 일부 증거는 상이한 유전자의 무작위 발현이 역할을 할 수 있음을 시사한다. Elowitz의 팀은 현재 우리 몸의 다른 조직을 야기하는 미분화 된 세포, 줄기 세포에서 확률 론적 유전자 발현의 역할을 조사하고 있습니다. 이 세포들은 자발적으로 상태를 전환하지만 과학자들은 아직 그 결정을 유발하는 것을 아직 알지 못합니다. 연구원들은 소음이 역할을 할 수 있다고 생각하므로 단일 분자 분석을 개별 세포의 시간 경과 영화와 결합하여 세포가 전환함에 따라 많은 다른 유전자에서 무작위 활동을 추적합니다.
.기회는 또한 코와 눈의 발달에 중요한 역할을합니다. 우리 눈의 빛 민감성 세포는 무작위로 적색 또는 녹색 빛을 감지할지 여부를 선택합니다. 과학자들은 어떻게 코에있는 세포가 각각 무작위로 수천 개의 다른 냄새 감지 수용체 중 하나만 생산하기로 선택합니다. 결과적으로 수천 냄새를 감지 할 수있는 세포 배열이 있습니다. 뉴욕 대학의 생물 학자 인 클로드 데스플란 (Claude Desplan)은“셀은 소음을 활용하여 복잡한 시스템에 의존하지 않고 다양성을 생성합니다.
그러나 Desplan은 소음이 일반적으로 개발을 유발한다고 생각하지 않습니다. "저는 확률 적 선택이 결정 론적 방식으로 할 수있는 것 이상의 다양성을 늘려야 할 때만 필요하다고 생각합니다." 예를 들어, Desplan의 팀은 두 가지 다른 종의 파리를 연구했습니다. 하나에서, 눈의 빛 민감성 분자의 분포는 무작위이며, 다른 쪽에서는 결정 론적이며 (빛 민감성 분자는 일반 줄로 배열됨), 자연이 두 가지 접근법을 모두 사용할 수 있음을 시사한다.
.Desplan의 모순적인 파리는이 분야의 주요 논쟁 중 하나를 보여줍니다. 소음이 얼마나 중요합니까? 소음을 사용하는 것과 달리, 자연은 노이즈가 존재하는 경우에도 여전히 안정적으로 작동하는 강력한 회로와 같은 강력한 제어 방법을 발전 시켰습니다. 소음은 유익하고 해로운 일이지만 어떤 품질이 우세합니까? Desplan은 후자를 선호합니다. "대부분의 경우 소음은 나쁜 것"이라고 그는 말했다. "그러나 때때로 우리는 나쁜 일을하고 좋은 일을 할 수 있습니다."
Baylor College of Medicine의 물리학자인 Ido Golding에 따르면, 미생물의 발달과 진화에서 무작위가 중요 할 수 있다는 생각은 과매가 지나쳤습니다. "나는 몇 가지 예가 있다고 생각하지만 그것들을 과도하게 해석 할 위험이있다"고 그는 말했다. "나는 99 %의 시간이 지남에 따라 세포가 원치 않는 변동과 싸우거나 그러한 변동과 함께 살 수있는 방법을 찾고 있다고 생각합니다." Golding은 다른 과학자들이 노이즈에 속하는 효과 중 일부는 실제로 측정 할 수없는 결정 론적 요인 때문이라고 생각합니다. 생화학 적 소음이 어느 정도 있다는 것은 분명하지만,“세포 간의 차이를 볼 때마다 비난 소음은 매우 위험한 것”이라고 그는 말했다.
12 월 과학에 발표 된 리뷰에서, 하버드 대학교의 생물학자인 Golding과 Alvaro Sanchez는 효모가 소음을 어떻게 사용할 수 있는지 연구하고 차이점을 제쳐두고 그 마음에 대한 질문을 탐구합니다. 시끄러운 유전자 발현은 높이 나 눈 색깔이나 유전자의 고유 한 특성과 같이 선택할 수있는 특성입니까? Golding은“우리는 항상 심술 졸업하고 서로 신문을 거부하거나 차이점을 해시하기위한 리뷰를 작성할 수 있습니다.
소음이 유전자의 순서대로 인코딩 된 특성 인 경우, 진화 과정이 포식자를 더 빨리 만들거나 물고기가 더 나은 수영 선수가 될 수있는 것처럼 진화는 그것을 미세 조정할 수 있습니다. 효모 실험은 이것이 사실이라고 제안합니다. 산체스는“소음이 많거나 소음이 적은 유전자를 가질 수 있습니다. 과학자들은 유전자 활성을 제어하고 RNA가 생성되는 것뿐만 아니라 그것이 얼마나 시끄럽게 생성되는지를 변화시키는 DNA 조각을 땜질 할 수 있습니다. 이 질문은 박테리아에서 광범위하게 연구되지 않았습니다. 그러나 일부 결과는 다른 방향을 가리 킵니다. Golding의 팀은 대장균에서 소음이 유전자의 활동 수준에 묶여있어 게놈 또는 관련 세포 기계의 고유 한 특성임을 시사합니다.
.두 과학자들이 함께 문학을 검토하기 위해 함께 일하면서 서로의 관점을보기 시작했습니다. Golding은“우리 논문의 결론은 여전히 공개적인 질문이지만 훨씬 더 완고했다는 것입니다. "이제 나는 상충되는 증거가 있다는 것을 충분히 감사합니다. 우리 중 일부는 잘못되었음을 의미합니다."
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