Работа двух авторов, Егора Коренкова и Максима Никитина, опубликована в научном высокорейтинговом журнале.
Учёные Института биофизики будущего МФТИ и Научно-технологического университета «Сириус» открыли фундаментальный принцип, позволяющий биологическим сигнальным системам работать независимо от перепадов температуры и ионной силы среды и даже использовать эти перепады как «программатор» поведения всей сигнальной системы. Работа двух авторов, Егора Коренкова и Максима Никитина, опубликована в высокорейтинговом журнале Nature Communications*. В будущем открытие позволит создавать биотехнологические производства без дорогостоящего климат-контроля, а также по-новому взглянуть на роль повышения температуры при заболеваниях человека.
Абсолютное большинство химических реакций зависит от температуры. В свою очередь, это создаёт огромные проблемы для клеток, не имеющих внешней температурной стабилизации: белки меняют свою структуру, ферменты — активность, а дуплексы ДНК — свою стабильность. В то же время множество организмов прекрасно существуют, не поддерживая постоянную температуру тела — от микроскопических бактерий до рептилий и рыб. И до сих пор было неясно — почему сложные сигнальные системы этих организмов не «сходят с ума» от постоянных перепадов температур в несколько десятков градусов?
Это исследование — следующий фундаментальный шаг в направлении, которое заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ, руководитель направления «Нанобиомедицина» в Университете «Сириус» Максим Никитин создал своей работой в 2023 году, впервые сформулировав и экспериментально подтвердив принцип «молекулярной коммутации». Суть его в том, что сложнейшая обработка молекулярной информации может возникать из одних лишь слабых обратимых взаимодействий «все со всеми» — без центрального «процессора» и независимо от природы молекул.
В текущей работе учёные развили открытый ранее принцип и показали, что молекулярная коммутация позволяет сигнальным сетям проявлять феномен температурной «самостабилизации» исключительно за счёт своей архитектуры. Это значит, что молекулярно-коммутационная сеть может быть устроена таким образом, что изменения в одних реакциях полностью уравновешивают изменения в других, и при этом результат работы сети остаётся правильным при любой температуре.
Удивительно, что такой простой на первый взгляд принцип стабилизации даёт поистине потрясающие компенсаторные возможности. На примере модельных сигнальных систем в виде ДНК-логических вентилей авторы демонстрируют, что с помощью всего лишь нескольких компенсаторных реакций можно добиваться стабильной работы таких систем в температурном диапазоне — от 0.1 до 50 °C. Для понимания масштаба этого диапазона: стабильность каждой отдельной реакции (константа равновесия дуплексов ДНК) в такой системе меняется в среднем более чем в миллиард раз.
Самый неожиданный результат исследователи получили, намеренно отказавшись от идеальной компенсации. Так они выяснили, что температурную зависимость возможно не просто подавлять, а заранее спроектировать. Авторы работы показали, что можно предварительно выбрать абстрактную математическую зависимость, например, параболу, синусоиду или какую-то более сложную, и почти для любой из них возможно найти молекулярно-коммутационную сеть, которая будет иметь ровно такую же температурную зависимость с очень высокой точностью. При этом ей не требуются ни отдельный терморецептор, ни внешний «процессор» — нужный ответ возникает непосредственно в архитектуре сети слабых взаимодействий.
«То, что разные молекулярные сети, находящиеся в разных клетках организма, могут иметь разные температурные зависимости дает природе возможность очень точно управлять поведением разных типов клеток исключительно за счет изменения температуры. Так, например, изменение температуры тела человека может быть одним общим сигналом для организма, а молекулярные системы в различных клетках — извлекать из него совершенно разные команды. Например, при заболевании, сопровождающемся изменением температуры, одна клетка может плавно уменьшать уровень экспрессии определенного белка, другая — резко увеличивать его, третья — менять сигнал по гораздо более сложному профилю. Таким образом, один физический параметр (температура) потенциально может координировать множество разных и сложных профилей молекулярного ответа. Например, мы показали, что выходной молекулярный сигнал можно заставить следовать даже синусоидальной зависимости от температуры», — прокомментировал Максим Никитин.
На практике открытие учёных можно применить в создании молекулярных биосенсоров и биотехнологических процессов, значительно менее требовательных к строгому контролю температуры и других условий производства. Для таких процессов, однако, может быть важна не только температура, но и множество других условий (например, точные параметры раствора), в которых идёт биотехнологический процесс. Как оказалось, открытый принцип компенсации может справляться и с такой задачей. Случай нуклеиновых кислот особенно показателен — для них изменение ионной силы влияет на прочность связывания цепей почти полностью аналогично изменению температуры. Благодаря этому исследователям удалось получить сигнальные системы, одинаково хорошо работающие даже при десятикратном изменении важных биологических ионов натрия и магния.
«В перспективе можно представить биореактор, у которого значительная часть контроля встроена непосредственно в молекулярные сети: они сами компенсируют изменения среды, сами перестраивают работу системы. Это может сделать производство белков и другие сложные процессы устойчивее, проще и менее зависимыми от непрерывного контроля внешних условий», — отметил Егор Коренков, аспирант МФТИ и первый автор статьи.
Авторы работы также подчёркивают, что найденный феномен самостабилизации — не финальная точка, а демонстрация масштаба всего нового направления.
«Мы уверены, что эта область таит в себе ещё множество принципиально новых концепций, и показанная в нашей работе самостабилизация — лишь одна из них. Мы очень благодарны Министерству науки и высшего образования Российской Федерации за усилия по развитию этой области и, в частности, за активную финансовую поддержку данных исследований после выхода первой работы, что во многом сделало возможным это и многие другие ещё продолжающиеся исследования», — заключил Максим Никитин.
Сейчас у автора открытия идёт набор на образовательные программы в Научно-технологическом университете «Сириус» — «Передовые методы экспресс-диагностики» и «Основы тераностики».
*Научная статья: Korenkov, E. S., Nikitin, M. P. Enabling molecular signaling with temperature and ionic-strength independence or programmable dependence. Nat Commun 17, 8895 (2026).
Учёные Института биофизики будущего МФТИ и Научно-технологического университета «Сириус» открыли фундаментальный принцип, позволяющий биологическим сигнальным системам работать независимо от перепадов температуры и ионной силы среды и даже использовать эти перепады как «программатор» поведения всей сигнальной системы. Работа двух авторов, Егора Коренкова и Максима Никитина, опубликована в высокорейтинговом журнале Nature Communications*. В будущем открытие позволит создавать биотехнологические производства без дорогостоящего климат-контроля, а также по-новому взглянуть на роль повышения температуры при заболеваниях человека.
Абсолютное большинство химических реакций зависит от температуры. В свою очередь, это создаёт огромные проблемы для клеток, не имеющих внешней температурной стабилизации: белки меняют свою структуру, ферменты — активность, а дуплексы ДНК — свою стабильность. В то же время множество организмов прекрасно существуют, не поддерживая постоянную температуру тела — от микроскопических бактерий до рептилий и рыб. И до сих пор было неясно — почему сложные сигнальные системы этих организмов не «сходят с ума» от постоянных перепадов температур в несколько десятков градусов?
Это исследование — следующий фундаментальный шаг в направлении, которое заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ, руководитель направления «Нанобиомедицина» в Университете «Сириус» Максим Никитин создал своей работой в 2023 году, впервые сформулировав и экспериментально подтвердив принцип «молекулярной коммутации». Суть его в том, что сложнейшая обработка молекулярной информации может возникать из одних лишь слабых обратимых взаимодействий «все со всеми» — без центрального «процессора» и независимо от природы молекул.
В текущей работе учёные развили открытый ранее принцип и показали, что молекулярная коммутация позволяет сигнальным сетям проявлять феномен температурной «самостабилизации» исключительно за счёт своей архитектуры. Это значит, что молекулярно-коммутационная сеть может быть устроена таким образом, что изменения в одних реакциях полностью уравновешивают изменения в других, и при этом результат работы сети остаётся правильным при любой температуре.
Удивительно, что такой простой на первый взгляд принцип стабилизации даёт поистине потрясающие компенсаторные возможности. На примере модельных сигнальных систем в виде ДНК-логических вентилей авторы демонстрируют, что с помощью всего лишь нескольких компенсаторных реакций можно добиваться стабильной работы таких систем в температурном диапазоне — от 0.1 до 50 °C. Для понимания масштаба этого диапазона: стабильность каждой отдельной реакции (константа равновесия дуплексов ДНК) в такой системе меняется в среднем более чем в миллиард раз.
Самый неожиданный результат исследователи получили, намеренно отказавшись от идеальной компенсации. Так они выяснили, что температурную зависимость возможно не просто подавлять, а заранее спроектировать. Авторы работы показали, что можно предварительно выбрать абстрактную математическую зависимость, например, параболу, синусоиду или какую-то более сложную, и почти для любой из них возможно найти молекулярно-коммутационную сеть, которая будет иметь ровно такую же температурную зависимость с очень высокой точностью. При этом ей не требуются ни отдельный терморецептор, ни внешний «процессор» — нужный ответ возникает непосредственно в архитектуре сети слабых взаимодействий.
«То, что разные молекулярные сети, находящиеся в разных клетках организма, могут иметь разные температурные зависимости дает природе возможность очень точно управлять поведением разных типов клеток исключительно за счет изменения температуры. Так, например, изменение температуры тела человека может быть одним общим сигналом для организма, а молекулярные системы в различных клетках — извлекать из него совершенно разные команды. Например, при заболевании, сопровождающемся изменением температуры, одна клетка может плавно уменьшать уровень экспрессии определенного белка, другая — резко увеличивать его, третья — менять сигнал по гораздо более сложному профилю. Таким образом, один физический параметр (температура) потенциально может координировать множество разных и сложных профилей молекулярного ответа. Например, мы показали, что выходной молекулярный сигнал можно заставить следовать даже синусоидальной зависимости от температуры», — прокомментировал Максим Никитин.
На практике открытие учёных можно применить в создании молекулярных биосенсоров и биотехнологических процессов, значительно менее требовательных к строгому контролю температуры и других условий производства. Для таких процессов, однако, может быть важна не только температура, но и множество других условий (например, точные параметры раствора), в которых идёт биотехнологический процесс. Как оказалось, открытый принцип компенсации может справляться и с такой задачей. Случай нуклеиновых кислот особенно показателен — для них изменение ионной силы влияет на прочность связывания цепей почти полностью аналогично изменению температуры. Благодаря этому исследователям удалось получить сигнальные системы, одинаково хорошо работающие даже при десятикратном изменении важных биологических ионов натрия и магния.
«В перспективе можно представить биореактор, у которого значительная часть контроля встроена непосредственно в молекулярные сети: они сами компенсируют изменения среды, сами перестраивают работу системы. Это может сделать производство белков и другие сложные процессы устойчивее, проще и менее зависимыми от непрерывного контроля внешних условий», — отметил Егор Коренков, аспирант МФТИ и первый автор статьи.
Авторы работы также подчёркивают, что найденный феномен самостабилизации — не финальная точка, а демонстрация масштаба всего нового направления.
«Мы уверены, что эта область таит в себе ещё множество принципиально новых концепций, и показанная в нашей работе самостабилизация — лишь одна из них. Мы очень благодарны Министерству науки и высшего образования Российской Федерации за усилия по развитию этой области и, в частности, за активную финансовую поддержку данных исследований после выхода первой работы, что во многом сделало возможным это и многие другие ещё продолжающиеся исследования», — заключил Максим Никитин.
Сейчас у автора открытия идёт набор на образовательные программы в Научно-технологическом университете «Сириус» — «Передовые методы экспресс-диагностики» и «Основы тераностики».
*Научная статья: Korenkov, E. S., Nikitin, M. P. Enabling molecular signaling with temperature and ionic-strength independence or programmable dependence. Nat Commun 17, 8895 (2026).