Медленно вращая ручку настройки старого радиоприёмника, вы слышите, как звук вырывается из шума не постепенно, а резким скачком — в тот миг, когда антенна попадает в резонанс с волной. Примерно так же ведут себя гены в живой клетке. Они работают не как плавный кран, а как тумблер с двумя положениями: «молчит» и «вещает». И переключения эти случайны — это фундаментальное свойство генной экспрессии, обусловленное стохастической природой молекулярных взаимодействий.

Белок — главный строительный материал и рабочий инструмент клетки. Его производство идёт в три этапа. Сначала ген активируется — тумблер дёргается в положение «вкл». Затем с гена считывается матрица (молекула-инструкция для сборки, называемая матричной РНК). А потом по этой матрице собирается сам белок. На каждом шагу случаются сбои. Матрица может разрушиться раньше времени, сборка — застопориться. Поэтому две клетки с одинаковыми генами часто получают разное количество белка — как два одинаковых приёмника, ловящие сигнал с разной чёткостью.

Математически описать такой трёхэтапный процесс непросто. Точные формулы есть только для средних величин — сколько белка в среднем. А вот распределение — то есть вероятность получить то или иное количество — до сих пор не поддавалось. Авторы новой работы применили остроумный трюк: они заметили, что случайные события во времени можно перетасовать, как колоду карт. Если смотреть на моменты включения гена не по часам на стене, а по числу уже случившихся событий, сложная модель превращается в более простую. Этот приём, основанный на теории случайных процессов, позволяет обойти математические трудности, связанные с неоднородностью времени между событиями.

Это позволило вывести две приближённые формулы. Они работают там, где раньше была пустота — в промежуточных режимах, когда ген не слишком активен и не слишком ленив. Формулы проверили на компьютерных симуляциях и получили отличное совпадение. Теперь биологи могут предсказывать, насколько разбросаны будут белки по клеткам, не решая громоздких уравнений.

Так математика помогает услышать в кажущемся хаосе клетки знакомый ритм. То, что выглядело как беспорядочное дребезжание старого приёмника, оказалось сигналом, который можно расшифровать. И теперь у нас есть ключ.