Minder ruis in informatie

Nieuws | de redactie

26 maart 2013 | Cellen zijn net mensen. Voortdurend moeten zij beslissingen nemen op basis van informatie uit hun omgeving. AMOLF-onderzoekers ontdekten dat het clusteren van signalen cellen in staat stelt meer informatie te verwerken. Cellulaire berekeningen worden er ook nauwkeuriger door.

Zo kunnen cellen beter beslissingen nemen, bijvoorbeeld over of ze zich moeten delen of niet. Cellen ontvangen informatie vanuit hun omgeving via receptoreiwitten aan hun oppervlak, die moleculen in de omgeving detecteren. Recente experimenten lieten zien dat deze receptoren niet willekeurig zijn verdeeld over het celoppervlak, maar dat ze voorkomen in clusters van vijf tot tien moleculen.

Minder ruis door betere clusters

Het voordeel van deze clustering, en de oorsprong van deze karakteristieke clustergrootte, waren tot nu toe niet duidelijk. Onderzoek van de groep van prof.dr. Pieter Rein ten Wolde bij het FOM-instituut AMOLF toont aan dat de clustering voor minder ruis in het signaal zorgt en voor optimalisatie van de informatieoverdracht. Wanneer receptoreiwitten moleculen in de omgeving detecteren, activeren zij andere eiwitten die het signaal de cel insturen. Deze activatie is echter niet permanent; eiwitten schakelen voortdurend tussen een actieve (‘aan’) en een inactieve (‘uit’) toestand.

Dit schakelen is een grote bron van ruis, die de kwaliteit van het signaal negatief beïnvloedt. De onderzoekers ontdekten dat het opdelen van eiwitten in clusters de ruis sterk vermindert. In plaats van dat alle eiwitten tegelijk schakelen, schakelen de moleculen nu binnen een cluster tegelijk, terwijl de verschillende clusters onafhankelijk van elkaar schakelen. De cel middelt vervolgens de activiteit van de verschillende clusters,  wat een betrouwbaarder signaal oplevert.

Informatietheorie als inspiratie

Om de karakteristieke clustergrootte  te verklaren pasten de onderzoekers ideeën toe uit de informatietheorie die Claude Shannon in 1948 ontwikkelde om telecommunicatie te verbeteren. Uit berekeningen volgde dat er een optimale clustergrootte bestaat waarbij het aantal bits aan informatie maximaal is.

Deze  theoretisch optimale grootte bleek vijf tot tien moleculen; verrassend genoeg dus precies zoals die in experimenten was waargenomen. Dit toont aan dat cellen moleculen clusteren om cellulaire berekeningen nauwkeuriger uit te voeren en informatieoverdracht te optimaliseren. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 25 maart in Proceedings of the National Academy of Sciences.