Kaynakların Sızdırılması Sanılanın Aksine Hücrelerin Büyümesine Yardımcı Olur

Uzmanlar, bakterilerden insanlara hücrelerin, çevrelerindeki büyüme için gerekli olan temel kimyasalları neden sızdırdıklarını açıklayamamışlardır. Yeni matematiksel modeller, sızan metabolitlerin yani karmaşık moleküller ve enerji üretimi ile yaşamı sürdürmek için kimyasal süreçlerde yer alan maddelerin hücrelere hem bencil hem de bencil olmayan faydalar sağlayabileceğini ortaya koymaktadır. Daha önce biyologlar, sızıntının sadece temel kimya kurallarından kaynaklanan hücre zarlarının doğal bir özelliği olduğunu söylemekteydiler.

Tokyo Üniversitesi Karmaşık Sistemler Biyoloji Araştırma Merkezi'nden teorik bir biyoloji uzmanı olan Profesör Kunihiko Kaneko, zarların doğasında sızıntı olduğunu ancak sızıntı istenmiyorsa neden evrimin bunu durdurmadığını ve buradaki neden sorusunun hiç çözülmediğini belirtiyor. Araştırma ekibi yapılan çalışma için bilgisayar simülasyonları ile birlikte Dinamik Sistem Modelleme adı verilen zaman içinde birden çok faktörün değişimini ölçebilen hesaplamalar kullandı. Bu modellemede, araştırmacılar, bir hücrenin harici besinleri aldığı, hücre içi kimyasal reaksiyonlarla onları hücre gövdesine ve enerjiye dönüştürdüğü, hücresel durumu, hücre gövdesini sentezlemek için besinler, enzimler ve bileşenler dahil olmak üzere hücre içi kimyasalların konsantrasyonları olarak temsil edilen hücre büyümesi için doğrusal olmayan süreçleri ele aldılar. Tüm hesaplamalarda, model hücrelerin, iç metabolizmalarının ve hücreler içindeki nispi kimyasal konsantrasyonlarının dengeli olduğu sabit bir büyüme durumunda olduğu varsayılmıştır. Hesaplamalar, bazı bileşenleri çevreye sızarsa ne tür kimyasal sentez yollarının daha verimli hale geleceğini tanımlamak için tasarlanmıştır. Kimyasal sentez yollarının matematiksel modelleri, canlı hücrelerdeki karmaşık dallanma yollarından daha basittir, ancak araştırmacıların temel kalıpları aramasına izin vermektedir.

Kimyasal Metabolitlerin Sızdırılması Hücrelerin Daha Verimli Üretilmesini Sağlar

Araştırmacılar, reaksiyon hızını arttırmak için kullandıkları enzimler, "akı kontrolü" ve "büyüme-seyreltme" mekanizmaları olarak adlandırdıkları katalitik reaksiyonları olan iki model kimyasal yol belirlediler. Her iki mekanizmada da, temel yolun yukarı akış kimyasal bileşeninin sızdırılması, son ürünün daha verimli bir şekilde üretilmesini sağlar. Nitekim bu, sızıntı hücrelerin kendi büyümelerini arttırmak için bencilce yaptıkları bir şeydir. Lisans yıllarından bu yana Kaneko laboratuvarında çalışan birinci sınıf yüksek lisans öğrencisi olan Jumpei Yamagishi, teoride akı kontrol mekanizmasının alternatif bir dallanma yolunda temel bir kimyasalın sızmasıyla biyokütle sentezi yolunu arttırırken buna karşın büyüme seyreltme mekanizması, biyokütle öncüllerinin (örn., Amino asitler) sızmasıyla biyokütle sentezini arttırdığını ve bunun hücre büyümesi için gerekli olduğunu belirtmiştir.

Araştırma ekibinin şimdiye kadar oluşturduğu modeller, bir seferde yalnızca bir hücre tipini göz önünde bulundurmaktadır. Bununla birlikte, yukarı akış bileşenlerin sızması, yalnızca özdeş bileşenleri sızdıran aynı tür hücrelerle yaşayan hücreler için bir sorun olabilmektedir. Kaneko, çoğu durumda, eğer tüm hücreler aynı molekülü sızdırırsa çevrelerinin kirlenebileceği ancak birden fazla hücre tipi birlikte yaşarsa bir kimyasal sızdırabileceğini ve diğerleri tarafından sızan farklı bir kimyasal kullanabileceklerini ifade etti. Sızan esansiyel besinlerin karşılıklı olarak yararlı değişimi, tüm hücre topluluğunun büyümesini arttırmak için özverili bir yol olabilir. Yamagishi, çalışmalarının, doğal ortamın neden bakterilerin saf monokültürlerde yetiştirildiği yapay laboratuvar koşullarından bu kadar farklı olduğunu kısmen yanıtlayabileceğini ancak emin olmak için ek modellere ihtiyaçları olacağını ifade etmektedir.

Araştırmacılar, birden fazla hücre türünün sızıntıdan faydalanan diğer sentez yolları türlerini ortaya çıkıp çıkmadığını görmek, bir arada var olduğu doğal koşulları daha iyi simüle etmek için daha karmaşık matematiksel hesaplamalar tasarlamayı planlamaktadırlar.