Matematik kaster lys over, hvordan levende celler tænker

Hvordan fungerer 'hjernen' i en levende celle, tillade en organisme at fungere og trives i skiftende og ugunstige miljøer?

Queensland University of Technology (QUT) forsker Dr. Robyn Araujo har udviklet ny matematik for at løse et mangeårigt mysterium om, hvordan de utroligt komplekse biologiske netværk i celler kan tilpasse sig og nulstille sig selv efter eksponering for en ny stimulus.

Hendes resultater, udgivet i Naturkommunikation , give et nyt niveau af forståelse af cellulær kommunikation og cellulær 'kognition', og har potentiel anvendelse inden for en række områder, herunder nye målrettede kræftbehandlinger og lægemiddelresistens.

Dr. Araujo, en underviser i anvendt og beregningsmæssig matematik ved QUTs Naturvidenskabelige og Tekniske Fakultet, sagde, at selvom vi ved meget om gensekvenser, vi har haft ekstremt begrænset indsigt i, hvordan proteinerne kodet af disse gener fungerer sammen som et integreret netværk – indtil nu.

"Proteiner danner ufatteligt komplekse netværk af kemiske reaktioner, der tillader celler at kommunikere og 'tænke' - i det væsentlige giver cellen en 'kognitiv' evne, eller en 'hjerne', " sagde hun. "Det har været et langvarigt mysterium i videnskaben, hvordan denne cellulære 'hjerne' fungerer.

"Vi kunne aldrig håbe på at måle den fulde kompleksitet af cellulære netværk - netværkene er simpelthen for store og indbyrdes forbundne, og deres komponentproteiner er for variable.

"Men matematik giver et værktøj, der giver os mulighed for at udforske, hvordan disse netværk kan konstrueres for at udføre, som de gør.

"Min forskning giver os en ny måde at se på optrævlende netværkskompleksitet i naturen."

Dr. Araujos arbejde har fokuseret på den meget observerede funktion kaldet perfekt tilpasning – et netværks evne til at nulstille sig selv, efter at det er blevet udsat for en ny stimulus.

"Et eksempel på perfekt tilpasning er vores lugtesans, " sagde hun. "Når vi udsættes for en lugt, vil vi lugte den i starten, men efter et stykke tid ser det ud til, at lugten er forsvundet, selvom kemikaliet, stimulus, er stadig til stede.

"Vores lugtesans har udvist perfekt tilpasning. Denne proces gør det muligt for den at forblive følsom over for yderligere ændringer i vores miljø, så vi kan registrere både meget finter og meget stærke lugte.

"Denne form for tilpasning er i bund og grund det, der finder sted inde i levende celler hele tiden. Celler udsættes for signaler - hormoner, vækstfaktorer, og andre kemikalier - og deres proteiner vil have tendens til at reagere og reagere i starten, men sæt dig så ned til aktivitetsniveauer før stimulus, selvom stimulus stadig er der.

"Jeg studerede alle de mulige måder et netværk kan konstrueres på og fandt ud af, at for at være i stand til denne perfekte tilpasning på en robust måde, et netværk skal opfylde et ekstremt rigidt sæt matematiske principper. Der er et overraskende begrænset antal måder, hvorpå et netværk kan konstrueres til at udføre perfekt tilpasning.

"I bund og grund opdager vi nu nålene i høstakken i form af de netværkskonstruktioner, der faktisk kan eksistere i naturen.

"Det er tidlige dage, men dette åbner døren til at kunne modificere cellenetværk med lægemidler og gøre det på en mere robust og stringent måde. Kræftbehandling er et potentielt anvendelsesområde, og indsigt i, hvordan proteiner fungerer på cellulært niveau, er nøglen."

Dr. Araujo sagde, at den offentliggjorte undersøgelse var resultatet af mere end "fem års ubarmhjertig indsats for at løse dette utroligt dybe matematiske problem". Hun begyndte at forske inden for dette felt, mens hun var på George Mason University i Virginia i USA.

Hendes mentor ved universitetets College of Science og medforfatter til Naturkommunikation papir, Professor Lance Liotta, sagde, at det "forbløffende og overraskende" resultat af Dr. Araujos undersøgelse gælder for enhver levende organisme eller biokemisk netværk af enhver størrelse.

"Undersøgelsen er et vidunderligt eksempel på, hvordan matematik kan have en dyb indvirkning på samfundet, og Dr. Araujos resultater vil give et sæt helt friske tilgange til videnskabsmænd inden for en række forskellige områder, " han sagde.

"For eksempel, i strategier til at overvinde kræftresistens - hvorfor tilpasser tumorer sig ofte og vokser tilbage efter behandling?

"Det kan også hjælpe med at forstå, hvordan vores hormonsystem, vores immunforsvar, tilpasser sig perfekt til hyppige udfordringer og holder os godt, og det har fremtidige implikationer for at skabe nye hypoteser om stofmisbrug og hjerneneuron-signalisering."