Matematisk opdagelse giver ny metode til at studere celleaktivitet, aldring

Nye matematiske værktøjer, der afslører, hvor hurtigt celleproteiner nedbrydes, er klar til at afdække dybere indsigt i, hvordan vi ældes, ifølge et nyligt offentliggjort papir, som er medforfatter af en forsker fra Mississippi State og hans kolleger fra Harvard Medical School og University of Cambridge.

Galen Collins, assisterende professor i MSU's Institut for Biokemi, Molekylær Biologi, Entomologi og Plantepatologi, var medforfatter til papiret offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences i april.

"Vi forstår allerede, hvor hurtigt proteiner laves, hvilket kan ske i løbet af få minutter," sagde Collins, som også er videnskabsmand ved Mississippi Agricultural and Forestry Experiment Station. "Indtil nu har vi haft en meget dårlig forståelse af, hvor lang tid det tager dem at bryde sammen."

Papiret i anvendt matematik, "Maksimal entropibestemmelse af pattedyrs proteomdynamik," præsenterer de nye værktøjer, der kvantificerer nedbrydningshastigheden af ​​celleproteiner - hvor hurtigt de nedbrydes - og hjælper os med at forstå, hvordan celler vokser og dør, og hvordan vi ældes. Proteiner – komplekse molekyler lavet af forskellige kombinationer af aminosyrer – bærer hovedparten af ​​arbejdsbyrden i en celle, giver dens struktur, reagerer på beskeder udefra cellen og fjerner affald.

Resultaterne viste, at ikke alle proteiner nedbrydes i samme tempo, men i stedet falder i en af ​​tre kategorier, der nedbrydes i løbet af minutter, timer eller dage. Mens tidligere forskning har undersøgt celleproteinnedbrydning, var denne undersøgelse den første til matematisk at kvantificere nedbrydningshastigheden af ​​alle celleproteinmolekyler ved hjælp af en teknik kaldet maksimal entropi.

"For visse slags videnskabelige spørgsmål kan eksperimenter ofte afsløre uendeligt mange mulige svar, men de er ikke alle lige plausible," sagde hovedforfatter Alexander Dear, forskningsstipendiat i anvendt matematik ved Harvard University.

"Princippet om maksimal entropi er en matematisk lov, der viser os, hvordan man præcist beregner plausibiliteten af ​​hvert svar - dets 'entropi' - så vi kan vælge den, der er mest sandsynlig."

"Denne form for matematik er lidt som et kamera, der zoomer ind på din nummerplade langvejs fra og finder ud af, hvad tallene skal være," sagde Collins. "Maksimal entropi giver os et klart og præcist billede af, hvordan proteinnedbrydning sker i celler."

Derudover brugte holdet disse værktøjer til at studere nogle specifikke implikationer af proteinnedbrydning for mennesker og dyr. For det første undersøgte de, hvordan disse hastigheder ændrer sig, efterhånden som muskler udvikler sig og tilpasser sig sult.

"Vi fandt ud af, at sult havde den største indvirkning på den mellemliggende gruppe af proteiner i muskelceller, som har en halveringstid på et par timer, hvilket får nedbrydningen til at skifte og accelerere," sagde Collins. "Denne opdagelse kan få konsekvenser for kræftpatienter, der oplever kakeksi eller muskelsvind på grund af sygdommen og dens behandlinger."

De undersøgte også, hvordan et skift i nedbrydningen af ​​visse celleproteiner bidrager til neurodegenerativ sygdom.

"Disse sygdomme opstår, når affaldsproteiner, som normalt nedbrydes hurtigt, lever længere, end de burde," sagde Collins. "Hjernen bliver som en teenagers soveværelse, der samler affald, og når du ikke renser den op, bliver den ubeboelig."

Kære bekræftede, at undersøgelsens værdi ligger ikke kun i, hvad den afslørede om celleproteindegeneration, men også i at give videnskabsmænd en ny metode til at undersøge celleaktivitet med præcision.

"Vores arbejde giver en kraftfuld ny eksperimentel metode til at kvantificere proteinmetabolisme i celler," sagde han. "Dens enkelhed og hurtighed gør den særdeles velegnet til at studere metaboliske ændringer."

Flere oplysninger: Alexander J. Dear et al., Maksimal entropibestemmelse af pattedyrs proteomdynamik, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2313107121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Mississippi State University