Как работает «мозг» живой клетки, позволяющий организму функционировать и процветать в изменяющихся и неблагоприятных условиях?
Исследователь Технологического университета Квинсленда (QUT) доктор Робин Араужо разработал новую математику, чтобы решить давнюю загадку того, как невероятно сложные биологические сети внутри клеток могут адаптироваться и перезагружаться после воздействия нового раздражителя.
Ее результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, обеспечивают новый уровень понимания клеточной коммуникации и клеточного «познания» и имеют потенциальное применение в различных областях, включая новые таргетные методы лечения рака и лекарственную устойчивость.
Доктор Араужо, преподаватель прикладной и вычислительной математики на факультете науки и техники QUT, сказал, что, хотя мы очень много знаем о последовательностях генов, у нас крайне ограниченное представление о том, как белки, кодируемые этими генами, работают вместе. как интегрированная сеть - до сих пор.
«Белки образуют непостижимо сложные сети химических реакций, которые позволяют клеткам общаться и «думать», по сути, наделяя клетку «когнитивными» способностями или «мозгом», - сказала она. «Для науки долгое время оставалось загадкой, как работает этот клеточный «мозг».
Мы никогда не могли надеяться измерить полную сложность клеточных сетей - сети просто слишком велики и взаимосвязаны, а составляющие их белки слишком изменчивы.
Но математика предоставляет инструмент, который позволяет нам исследовать, как эти сети могут быть построены, чтобы работать так, как они работают.
"Мое исследование дает нам новый взгляд на распутывание сложных сетей в природе."
Работа доктора Араужо была сосредоточена на широко наблюдаемой функции, называемой идеальной адаптацией - способности сети перезагружаться после того, как она подверглась воздействию нового стимула.
"Примером идеальной адаптации является наше обоняние", - сказала она. «При воздействии запаха мы сначала чувствуем его запах, но через некоторое время нам кажется, что запах исчез, хотя химическое вещество, раздражитель, все еще присутствует.
Наше обоняние продемонстрировало совершенную адаптацию. Этот процесс позволяет ему оставаться чувствительным к дальнейшим изменениям в окружающей среде, так что мы можем различать как очень слабые, так и очень сильные запахи.
Такого рода адаптация, по сути, происходит внутри живых клеток все время. Клетки подвергаются воздействию сигналов - гормонов, факторов роста и других химических веществ - и их белки сначала будут реагировать и реагировать, но затем успокоиться до предстимульного уровня активности, даже если стимул все еще присутствует.
Я изучил все возможные способы построения сети и обнаружил, что для того, чтобы быть способной к этой идеальной адаптации надежным способом, сеть должна удовлетворять чрезвычайно жесткому набору математических принципов. Существует удивительно ограниченный набор существует множество способов построения сети для идеальной адаптации.
По сути, мы сейчас открываем иголки в стоге сена с точки зрения сетевых конструкций, которые могут реально существовать в природе.
"Это первые дни, но это открывает двери для возможности модифицировать клеточные сети с помощью лекарств и делать это более надежным и строгим способом. Терапия рака является потенциальной областью применения, и понимание того, как белки работа на клеточном уровне является ключевой."
Доктор Араужо сказал, что опубликованное исследование стало результатом более чем «пяти лет неустанных усилий, направленных на решение этой невероятно сложной математической проблемы». Она начала исследования в этой области, когда работала в Университете Джорджа Мейсона в Вирджинии, США.
Ее наставник в Университетском колледже науки и соавтор статьи в Nature Communications, профессор Лэнс Лиотта, сказал, что «удивительный и удивительный» результат исследования доктора Араужо применим к любому живому организму или биохимической сети любого вида. размер.
"Исследование является прекрасным примером того, как математика может оказать глубокое влияние на общество, и результаты доктора Араужо предоставят набор совершенно новых подходов для ученых в самых разных областях", - сказал он..
Например, в стратегиях преодоления лекарственной устойчивости рака - почему опухоли часто адаптируются и вырастают снова после лечения?
«Это также может помочь понять, как наша гормональная система, наша иммунная защита идеально адаптируются к частым проблемам и поддерживают наше здоровье, и это может иметь будущее значение для создания новых гипотез о наркозависимости и адаптации сигналов нейронов мозга».