Что заставляет скопление клеток стать печенью или мышцей? Как наши гены порождают белки, белки - клетки, а клетки - ткани и органы?
Невероятная сложность того, как взаимодействуют эти биологические системы, поражает воображение и стимулирует работу ученых-биомедиков по всему миру.
Но пара математиков представила новый способ осмысления этих понятий, который может помочь подготовить почву для лучшего понимания нашего тела и других живых существ.
В статье для Proceedings of the National Academy of Sciences пара из Медицинской школы Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Беркли представляет основу для использования математики, чтобы понять, как генетическая информация и взаимодействия между клетками приводят к фактическому функцию определенного типа ткани.
Они отмечают, что это сильно идеализированная структура, а не та, которая учитывает каждую деталь этого процесса, называемого «появлением функции».
Но, сделав шаг назад и создав упрощенную модель, основанную на математике, они надеются создать основу для понимания учеными изменений, которые происходят с течением времени внутри клеток и между ними, чтобы сделать возможными живые ткани. Это также может помочь понять, как могут возникнуть такие заболевания, как рак, когда что-то идет не по плану.
Красота в сочетании
Пара - доцент кафедры вычислительной медицины UM Medical School Индика Раджапаксе, доктор философии. и почетный профессор Беркли Стивен Смейл, доктор философии. - работали над концепциями несколько лет.
«Все время этот процесс происходит в нашем организме, когда клетки умирают и возникают, и все же они поддерживают функцию ткани», - говорит Раджапаксе. «Нам нужно использовать прекрасную математику и прекрасную биологию вместе, чтобы понять красоту ткани».
В новой работе они даже прислушиваются к работе Алана Тьюринга, британского математика-первопроходца, известного своим компьютером «Машина Тьюринга», который взломал нацистские коды во время Второй мировой войны.
Ближе к концу своей жизни Тьюринг начал изучать математические основы морфогенеза - процесса, который позволяет естественным узорам, таким как полосы зебры, развиваться по мере того, как живое существо растет от эмбриона до взрослого человека.
«Наш подход адаптирует технику Тьюринга, сочетая динамику генома внутри клетки и динамику диффузии между клетками», - говорит Раджапаксе, руководитель лаборатории генома UM 4D+ в Департаменте вычислительной медицины и биоинформатики.
Его команда биологов и инженеров проводит эксперименты, фиксирующие динамику генома человека в трех измерениях с использованием биохимических методов и изображений с высоким разрешением. Раджапаксе также занимает должность на факультете математики UM, входящем в состав Колледжа литературы, науки и искусств.
Объединение математики и генома
Смейл, ушедший на пенсию из Беркли, но по-прежнему активно занимающийся исследованиями, считается пионером моделирования динамических систем, которые меняются во времени и в пространстве. В 1966 году он получил высшую награду по математике, Филдсовскую медаль.
Несколько лет назад Раджапаксе подошел к нему во время визита в UM, где Смейл получил степень бакалавра и магистра. Они начали исследовать, как изучать геном человека - набор генов в ДНК организмов - как динамическую систему.
Они основывали свою работу на идее, что хотя гены организма остаются неизменными на протяжении всей жизни, то, как клетки их используют, не меняется.
Прошлой весной они опубликовали статью, в которой заложена математическая основа регуляции генов - процесса, определяющего, как часто и когда гены «считываются» клетками для производства белков.
«Ни Тьюринг, ни Стив Смейл, когда мы начинали нашу работу, не знали о геноме», будучи математиками с классическим образованием, - говорит Раджапаксе. «Но с помощью математических методов мы можем изучать естественную динамику геномов групп клеток по мере их развития и взаимодействия друг с другом, образуя сети».
Вместо того, чтобы узлы этих сетей были статичными, как предполагал Тьюринг, новая работа рассматривает их как динамические системы. Гены могут быть «зашиты» в клетку, но то, как они выражаются, зависит от таких факторов, как эпигенетические метки, добавленные в результате факторов окружающей среды, и многое другое.
Следующие шаги
В результате работы со Смейлом Раджапаксе получил финансирование от Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) для продолжения изучения проблемы возникновения функции, в том числе того, что происходит при изменении процесса.
Рак, например, возникает из-за неправильного цикла развития и пролиферации клеток. И процесс, посредством которого индуцированные плюрипотентные стволовые клетки производятся в лаборатории, по существу поворачивая время вспять для одного типа клеток, так что он вновь обретает способность превращаться в другие типы клеток, является еще одним примером..
Раджапаксе стремится использовать данные реальных экспериментов по геному и клеточной биологии в своей лаборатории, чтобы обосновать будущую работу, посвященную раку и перепрограммированию клеток. Эта работа также будет включать в себя сотрудничество с другими членами Программы трансляционной онкологии UM и Томасом Ридом, доктором медицины в Национальном институте рака, с целью использования математики для изучения последних результатов фундаментальных исследований рака.
Он также организует встречу математиков со всего мира для изучения вычислительной биологии и генома этим летом в Барселоне.
«Клеточный цикл - самая точная и красивая вещь», - говорит Раджапаксе. «Когда у нас есть четкое математическое понимание, мы можем создавать компьютерные модели и дальше исследовать нашу красоту, объясняемую с помощью математики».