Метод измерения сигнальных путей клеток на основе теории информации

Название разработки

Метод измерения сигнальных путей клеток на основе теории информации.

Назначение

На основе теории информации предложен новый подход к измерению сигнальных путей клеток в приложении к онкологии. Новый подход нацелен на тонкую перенастройку сигнальных путей внутри клеток, которая призвана вернуть информационную емкость сигнальных путей на нормальный высокий уровень, отменяя злокачественные свойства раковых клеток и минимально влияя на здоровые клетки.

Описание, характеристики

Развитие и выживание организмов связано со способностью их клеток правильно получать сигналы из окружающей среды и правильно реагировать на эти сигналы. Для достижения этой цели клетки коммуницируют с помощью химических сигнальных систем, называемых сигнальными путями, которые регулируют и координируют различные аспекты клеточной активности. Однако нарушения в обработке информации клетками могут приводить к ошибкам в восприятии клетками их окружения, к неконтролируемому поведению клеток и раковому перерождению. Для лучшего понимания того, как нарушения в передаче информации влияют на патологические изменения в клетках, авторами использован подход, выходящий за рамки традиционной биологии и медицины. Этот подход основан на применение к изучению клеточной коммуникации теории информации, области математики, обычно применяемой в программировании и телекоммуникациях. Работа, опубликованная в престижных журналах Nature Communications и Trends in Cell Biology, предоставляет радикально новый подход к онкологии.

В конце 1940-х годов, американский математик Клод Шэннон разработал вероятностную теорию для измерения количества информации, передаваемой через каналы коммуникации, сопряженные с некоторым неизбежным уровнем шума. Эта теория легла в основу современных коммуникативных и вычислительных систем. Она также нашла многочисленные применения в областях компрессии и передачи больших данных, криптографии и искусственного интеллекта. Однако теория Шэннона до сих пор не находила широкого применения в клеточной коммуникации.

В приложении к клеточной коммуникации, теория информации позволяет изучать, как клетки получают и интерпретируют информацию из окружающей среды. Теория информации позволяет измерить, сколько именно информации способны достоверно передавать клеточные сигнальные пути, в норме и при патологии. До недавних пор считалось, что индивидуальная клетка способна адекватно воспринимать не более, чем один бит информации, то есть в ответ на различные уровни сигнала, приходящего извне, индивидуальная клетка способна дать ответ только в режиме «все или ничего». Работа авторов заложила основу – которой теперь следуют и другие исследователи – для измерения информационной емкости путей передачи сигнала в индивидуальных клетках и впервые количественно продемонстрировала, что здоровая клетка способна к передаче значительно большего количества информации, достоверно отличая не менее четырех уровней приходящего сигнала и отвечая на них достоверно различимым образом.

Эта работа также делает возможным точное измерение уменьшения информационной емкости клеточных сигнальных путей при патологиях, в частности при раковом перерождении. Более того, предложен революционно новый подход к разработке новых лекарств. Новый подход, который разрабатывают авторы на основе теории информации в приложении к онкологии, нацелен, напротив, не на полное выключение, но на тонкую перенастройку сигнальных путей внутри клеток, которая призвана вернуть информационную емкость сигнальных путей на нормальный высокий уровень, отменяя злокачественные свойства раковых клеток и минимально влияя на здоровые клетки.

Преимущества перед известными аналогами

Аналогов нет.

Область(и) применения

Медицина, а именно онкология.

Правовая защита

Объекты авторского права – статьи:

1) Amiran Keshelava, Gonzalo P. Solis, Micha Hersch, Alexey Koval, Mikhail Kryuchkov, Sven Bergmann & Vladimir L. Katanaev. High capacity in G protein-coupled receptor signaling // Nature Communications, V. 9, Article number: 876 (2018). IF = 11.878, Q1

2) Zielińska, K.A., Katanaev, V.L. Information Theory: New Look at Oncogenic Signaling Pathway // Trends in Cell Biology. Volume 29, Issue 11, November 2019, Pages 862-875. IF = 16.588, Q1.

Стадия готовности к практическому использованию

Стадия НИР; проведены лабораторные испытания.

Авторы

Катанаев В.Л.