1891 年、ドイツの生物学者 Hans Driesch が 2 細胞のウニの胚を半分に分割したとき、彼は、分離されたそれぞれの細胞が、小さいながらも独自の完全な幼虫を生み出すことを発見しました。どういうわけか、半分は発達プログラム全体を変更することを「知っていた」.
それ以来、科学者たちは、この青写真の作成に何が必要で、それがどれほど有益かを理解しようとしてきました。 （Driesch自身、解決策を思いつくことができないことに不満を感じ、手を投げてフィールドを完全に去りました.彼らの場所に基づいています。しかし、その情報を伝える信号は、大きく無秩序に変動しているように見えます。これは、重要なガイドの影響に期待するものとは正反対です.
マサチューセッツ大学医学部のシステム生物学者である Robert Brewster 氏は、次のように述べています。 「しかし、どういうわけか、再現可能で鮮明なボディプランを提供するために一緒になります。」
同じ精度と再現性が、さまざまな細胞プロセスのノイズの海から何度も出てきます。この増え続ける証拠は、一部の生物学者を大胆な仮説に導きます。情報が関係する場合、細胞はしばしば生命の課題に対する解決策を見つける可能性があります。これは、単に良いだけでなく最適な解決策でもあります。細胞は、複雑な環境から理論的に可能な限り多くの有用な情報を抽出するということです。パリの高等師範学校の生物物理学者であるアレクサンドラ・ワルザックによると、最適な解読に関する疑問は「生物学のいたるところにある」とのことです。
生物学者は伝統的に、生きたシステムの分析を最適化の問題とは考えていませんでした。なぜなら、それらのシステムは複雑で定量化が難しく、何が最適化されるかを見分けるのが難しいからです。さらに、進化論は、進化するシステムは時間の経過とともに改善できることを示唆していますが、それらが最適なレベルに駆動されることを保証するものは何もありません.
しかし、研究者が細胞が何をしているかを適切に判断できるようになったとき、多くの人は、最適化の明確な兆候を見て驚いています.ヒントは、脳が外部刺激にどのように反応するか、および微生物が環境内の化学物質にどのように反応するかで明らかになりました。 Cell で最近報告された、ハエの幼虫の発生に関する新しい研究から、いくつかの最良の証拠が明らかになりました。 .
統計を理解する細胞
何十年もの間、科学者たちはミバエの幼虫を研究して、発生がどのように展開するかについての手がかりを求めてきました。早い段階でいくつかの詳細が明らかになりました。遺伝子シグナルのカスケードが、幼虫の頭から尾までの軸に沿ったパターンを確立します。その後、モルフォゲンと呼ばれるシグナル伝達分子が胚組織を介して拡散し、最終的に体の部分の形成を定義します.
ハエで特に重要なのは、4 つの「ギャップ」遺伝子です。これらは、軸に沿って広く重複するドメインで別々に発現します。彼らが作るタンパク質は、胚に沿って非常に正確で周期的な縞模様を作り出す「ペアルール」遺伝子の発現を調節するのに役立ちます.縞模様は、後で身体をセグメントに分割するための土台を確立します.
細胞がこれらの拡散勾配をどのように理解するかは、常に謎でした。タンパク質レベルによって（いわば）ほぼ正しい方向に向けられた後、細胞は周囲の変化を継続的に監視し、開発が進むにつれて小さな修正調整を行い、計画されたアイデンティティに比較的遅くロックインするというのが広く想定されていました.そのモデルは、1956 年にコンラッド ワディントンによって提案された「発生状況」を思い起こさせます。彼は、細胞がその運命に向かってホーミングするプロセスを、一連の急勾配の谷と分岐した道を転がり落ちるボールになぞらえました。ブランダイス大学の物理学者である Jané Kondev 氏によると、細胞は、「20 の質問ゲーム」を通じて、細胞がどこに何を持っているかを突き止めるかのように、時間の経過とともに位置に関する知識を洗練するために、ますます多くの情報を取得する必要がありました。
ただし、このようなシステムは事故を起こしやすい可能性があります。一部のセルは必然的に間違った経路をたどり、軌道に戻ることができなくなります。対照的に、ハエの胚を比較すると、ペアルール ストライプの配置が非常に正確で、胚の長さの 1% 以内、つまり単一細胞の精度であることが明らかになりました。
これは、生物物理学者の Thomas Gregor と William Bialek が率いるプリンストン大学のグループを促しました, 他の何かを疑うために:ギャップ遺伝子の発現レベルのみから、細胞がペアルールストライプの位置を定義するために必要なすべての情報を代わりに取得できる可能性があります。
彼らは 12 年間にわたって、モルフォゲンとギャップ遺伝子のタンパク質濃度を胚から細胞ごとに測定し、4 つのギャップ遺伝子すべてが頭から端までのすべての位置でどのように発現する可能性が最も高いかを判断しました。尾軸。それらの確率分布から、彼らは「辞書」またはデコーダーを構築しました。これは、ギャップ遺伝子タンパク質濃度レベルに基づいて、細胞の位置の確率論的推定を吐き出すことができる明示的なマップです。
約 5 年前、プリンストン大学の学部生として測定作業を開始した Mariela Petkova (現在はハーバード大学で生物物理学の博士号取得を目指している) と、現在オーストリア科学技術研究所にいる Gašper Tkačik を含む研究者たち —は、このマッピングが最適ベイジアン デコーダーとして知られているものと同じように機能すると仮定して決定しました (つまり、デコーダーは、事前の条件付き確率からイベントの可能性を推測するためにベイズの規則を使用しました)。ベイジアン フレームワークにより、確率の条件である「未知数」をひっくり返すことができました。位置が与えられた場合のギャップ遺伝子発現の測定値を使用して、ギャップ遺伝子発現のみが与えられた場合の位置の「最良の推測」を生成できます。
チームは、4 つのギャップ遺伝子の変動を実際に使用して、単一細胞の精度で細胞の位置を予測できることを発見しました。ただし、4 つすべてに関する最大の情報があれば十分です。2 つまたは 3 つのギャップ遺伝子の活動のみが提供された場合、デコーダーの位置予測はそれほど正確ではありませんでした。 4 つのギャップ遺伝子すべてからの情報をあまり使用しないデコーダーのバージョン (たとえば、各遺伝子がオンかオフかのみに応答するもの) も、予測を悪化させました。
Walczak によると、「これらの分子勾配の濃度をどれだけ正確に読み取れるかを測定したり示したりした人は誰もいません…実際に軸に沿った特定の位置を正確に示しています。」
限られた数の分子とシステムの根底にあるノイズが与えられたとしても、ギャップ遺伝子のさまざまな濃度は、頭から尾への軸で隣接する2つの細胞を区別するのに十分であり、遺伝子ネットワークの残りの部分はその情報を最適に送信します。
「しかし、疑問は常に未解決のままでした。生物学は実際に気にかけているのでしょうか?」グレゴールは言った。 「それとも、これは私たちが測定しているだけのものですか？」ギャップ遺伝子に応答した DNA の調節領域は、それらの遺伝子に含まれる位置情報を解読できるように配線されているのでしょうか?
生物物理学者は、ノーベル賞を受賞した生物学者のエリック・ヴィーシャウスと協力して、細胞が実際に潜在的に自由に使える情報を利用しているかどうかをテストしました。彼らは、非常に若いハエの胚のモルフォゲンの勾配を変更することによって突然変異胚を作成しました。これにより、ギャップ遺伝子の発現パターンが変更され、最終的にペアルールストライプがシフト、消失、複製、またはあいまいなエッジを持つようになりました。それでも、研究者は、彼らのデコーダーが突然変異したペアルール表現の変化を驚くべき正確さで予測できることを発見しました。 「それらは、マップがミュータントで壊れていることを示していますが、デコーダーが予測する方法で」と Walczak は言いました。
「他のソースから情報を取得している場合、そのように[細胞]をだますことはできないと想像できます」とBrewster氏は付け加えました. 「あなたのデコーダは失敗するでしょう。」
研究に関与していない Kondev 氏によると、これらの調査結果は「道しるべ」を表しています。彼らは、推測されたデコーダーに「何らかの物理的現実」があることを示唆している、と彼は言った。 「進化を通じて、これらの細胞は制御 DNA を使用してベイズのトリックを実装する方法を見つけ出しました。」
細胞がどのようにそれを行うのかは謎のままです。シカゴ大学のシステム生物学者であるジョン・ライニッツは、現在、「すべてが素晴らしい魔法のようです」と述べています。
それでも、この研究は、初期発生、遺伝子調節、そしておそらく一般的な進化についての新しい考え方を提供します.
険しい風景
この調査結果は、ウォディントンの開発ランドスケープのアイデアに新鮮な視点を提供します。 Gregor によると、彼らの研究は結局、20 の質問や段階的な知識の洗練の必要がないことを示しています。風景は「最初から険しい」と彼は言った。すべての情報はすでにそこにあります。
カリフォルニア工科大学の大学院生であるマヌエル・ラゾ・メヒア氏は、「自然淘汰は、細胞が物理的に許される限界で機能するようになるまで、システムを十分に強く押し出しているようだ」と述べた.
この場合の高いパフォーマンスはまぐれである可能性があります。ショウジョウバエの胚は非常に急速に発達するため、おそらく彼らの場合、「すべてを非常に迅速に行うというプレッシャーのために、進化はこの最適な解決策を見つけました」と、生物学者のジェームズ・ブリスコーは述べています。この研究に参加しなかったロンドンのフランシス・クリック研究所。これがより一般的なものであるかどうかを本当に確認するには、研究者は、よりゆっくりと発達する種を含む他の種でデコーダーをテストする必要があります.
それでも、これらの結果は、しばしば謎めいた規制要素について尋ねる興味深い新しい質問を設定します.科学者たちは、制御DNAが他の遺伝子の活動を制御するためにどのようにコード化されているかをしっかりと把握していません.チームの調査結果は、これには最適なベイジアン デコーダーが関与していることを示唆しており、これにより、調節要素が結合されたギャップ遺伝子発現の非常に微妙な変化に対応できるようになります。 「質問をすることができます。デコーダーをコードする規制 DNA とは何ですか?」 Kondev は言いました。
そして、「この最適なデコードを行うにはどうすればよいでしょうか?」彼が追加した。 「これは、この研究の前には私たちが尋ねることができなかった質問です。」
「それこそが、この分野での次の課題として、この研究が設定したものです」とブリスコーは言いました。さらに、このようなデコーダーを分子レベルで実装する方法は多数ある可能性があり、このアイデアは他のシステムにも適用できることを意味します。実際、そのヒントは、中枢神経系の前駆体である脊椎動物の神経管の発達で発見されています。これは、非常に異なる根本的なメカニズムを必要とします.
さらに、これらの調節領域が最適な解読機能を実行する必要がある場合、それらの進化方法が制限される可能性があり、ひいては生物全体の進化方法が制限される可能性があります。 「私たちはこの一例を持っています…これはこの惑星で進化した生命です」とKondevは言いました.細胞がベイジアン挙動を示すことを発見することは、情報を効果的に処理することは、「原子の束が緩くくっついて、私たちが生命であると考えるもののように振る舞う一般的な原則」である可能性があることを示唆している可能性があります.
しかし、今はまだヒントに過ぎません。それは「物理学者の夢のようなもの」ですが、Gregor 氏は、「これを実際に証明するにはほど遠い」と述べています。
海底のワイヤーから脳内のニューロンまで
情報最適化の概念は、電気工学に根ざしています。専門家は当初、音声をエンコードしてからデコードし、人々が大洋横断ケーブルを介して電話で話せるようにする方法を理解したいと考えていました。その目標は後に、チャネルを介して情報を最適に送信する方法についてのより広範な検討事項に変わりました。このフレームワークを脳の感覚システムに適用し、入力を測定、エンコード、デコードして応答を生成する方法は、それほど飛躍的ではありませんでした。
現在、一部の専門家は、あらゆる種類の「感覚システム」についてこのように考えようとしています。たとえば、Razo-Mejia は、バクテリアが環境内の化学物質をどのように最適に感知して処理するか、またそれがバクテリアの適応度にどのように影響するかを研究しています。その間、Walczak と彼女の同僚は、侵入者の膨大なレパートリーを認識して応答する必要がある適応免疫システムにおける「優れた解読戦略」がどのように見えるかを尋ねてきました.
「最適化は美的または哲学的なアイデアではないと思います。これは非常に具体的なアイデアです」とBialekは言いました。 「最適化の原則は、測定すべき興味深い事柄を何度も指摘してきました。」それらが正しいかどうかにかかわらず、彼は考えるのが生産的であると考えています.
「もちろん、難しいのは、他の多くのシステムでは、デコードされるプロパティが [胚の軸に沿った] 1 次元の位置よりも難しいことです」と Walczak 氏は述べています。 「問題を定義するのは難しい」
それが、Bialek と彼の同僚が研究したシステムを非常に魅力的なものにした理由です。 「生物学では、この場合の情報のような高レベルのアイデアが数式につながる例はあまりありません」とコンデブ氏は、生細胞の実験で検証できると述べています.
Bialek を興奮させるのは、この理論と実験の融合です。彼は、このアプローチが引き続き他の状況での作業を導くことを望んでいます。 「はっきりしていないのは、[最適化の]観察がいくつかのコーナーで発生する好奇心なのか、それとも一般的なものがあるのかということです.」
後者が事実であることが証明された場合、「それは非常に驚くべきことです」とブリスコーは言いました. 「物事を行うためのこれらの本当に効率的な方法を見つける進化の能力は、信じられないほどの発見です。」
コンデフは同意した。 「物理学者として、生命現象が、地球上の生物を構成する特定の化学物質や DNA および分子だけに関係するものではなく、より幅広いものであることを願っています」と彼は言いました。 「そのより広いものは何ですか？知らない。しかし、これはその謎のベールを少し持ち上げているのかもしれません。」
3 月 15 日に追加された訂正:Mariela Petkova と Gašper Tkačik の貢献に感謝するためにテキストが更新されました。
この記事はに転載されました Wired.com .
