To matematyka steruje biologią! Coraz bliżej odkrycia największej tajemnicy życia

Jak to się dzieje, że z jednej komórki powstaje cały, skomplikowany organizm? Biologią steruje matematyka, a naukowcy właśnie zaczynają rozumieć jej wyrafinowany język.
To matematyka steruje biologią! Coraz bliżej odkrycia największej tajemnicy życia

Wszyscy zaczynamy od zapłodnionej komórki jajowej. To właśnie z niej, przez procesy obejmujące podziały, różnicowanie i śmierć, powstaje człowiek, który jest zbudowany ze średnio 10 bilionów komórek należących do setek lub tysięcy typów. Ta biologiczna podróż jest sterowana prawami fizyki, a więc może być wyjaśniona językiem matematyki. Naukowcy z Uniwersytetu w Melbourne poznali jego kluczowe słowa.

Teoria katastrof

W latach 50. ubiegłego wieku Conrad Hal Waddington opisał rozwój komórki jako marmur staczający się po pagórkowatym krajobrazie. Doliny odpowiadają komórkom, które stają się typami – skóra, kości, komórki nerwowe – a wzgórza dzielące doliny odpowiadają punktom zwrotnym w procesie rozwoju, w których wybiera się los komórki.

U człowieka około 22 000 genów i ich produktów może wpływać na dynamikę komórkową. Dla porównania, u bakterii liczba genów jest znacznie mniejsza – Escherichia coli ma około 4500 genów, które wpływają na to, jak ta komórka reaguje na środowisko.

Czytaj też: Dopiero takie komórki macierzyste odmienią całą medycynę. Pierwszy raz wytworzyli je w laboratorium

Krajobraz Waddingtona jest czymś więcej niż tylko metaforą. Można go powiązać z opisami matematycznymi. Dna dolin utożsamiamy ze stanami stabilnymi – pozostawiony sam sobie marmur (lub niezróżnicowana komórka) znajdujący się na dnie doliny pozostanie tam na zawsze. Ale jeśli marmur jest ustawiony na wzgórzu, to nawet niewielkie zaburzenie spowoduje, że stoczy się on ze zbocza do określonej doliny. Matematycy w latach 70. ubiegłego wieku wykorzystali koncepcję doliny i rozwinęli gałąź matematyki o sugestywnej nazwie “teorii katastrof”.

Umiemy już mierzyć ekspresję genów w pojedynczych komórkach, więc możemy zobaczyć, że wewnętrzne procesy molekularne są jak komórki przemierzające pagórkowaty krajobraz. Naukowcy są w stanie opisywać matematycznie zachowania komórek w sposób, który jeszcze do niedawna wydawał się niemożliwy.

Co decyduje o tym, kiedy komórka staje się konkretną komórką? Pomoże wyjaśnić to matematyka /Fot. Pexels

W pracy opublikowanej w Cell Systems czytamy:

Powiązanie aktywności genów z modelem krajobrazu stało się aktywnym i ekscytującym obszarem badań. Mamy nadzieję wykorzystać to do zrozumienia, jak komórki poruszają się w tym krajobrazie, od pojedynczej zapłodnionej komórki jajowej do tysięcy w pełni zróżnicowanych typów komórek u dorosłego człowieka. Jednym z problemów, któremu poświęcono niewiele uwagi, jest to, jak losowość (lub szum) procesów molekularnych wewnątrz komórek wpływa na krajobraz i dynamikę komórek na tym krajobrazie. W ostatnich badaniach sprawdzamy, jak ten molekularny szum może głęboko wpłynąć na dynamikę. Nasz zespół badawczy, wspierany przez ARC Australian Laureate Fellowship, ma na celu opracowanie podejścia, które włącza losowość do systemu, który może kontrolować i kształtować krajobraz.

Wspomniany szum molekularny może poruszać doliny i wzgórza – może nawet sprawić, że doliny znikną lub uformować nowe doliny i wzgórza, zmieniając kierunek, dodając lub usuwając potencjalne miejsca docelowe metaforycznego marmuru. Jeśli przełożymy to z powrotem na język biologii, oznacza to, że typy komórek, które mogłyby istnieć w systemach pozbawionych szumu (lub o niskim jego poziomie), a mogą zniknąć, gdy tylko szum wpłynie na system – i odwrotnie.

Czytaj też: Dlaczego naukowcy łączą komórki ludzi i zwierząt? Chimery dają nową nadzieję na przeszczepy

Naukowcy podsumowują:

Szum wpływa na rodzaje komórek, które mogą istnieć w organizmie. Mamy nadzieję, że uda nam się wykorzystać rosnącą ilość danych molekularnych dotyczących pojedynczych komórek i połączyć je z modelami matematycznymi uwzględniającymi zarówno skomplikowaną dynamikę regulacji genów i procesów komórkowych, jak i wpływ szumu.

Australijskim uczonym udało się stworzyć model matematyczny tylko jednej komórki z ok. 100 milionów komórek tworzących bakterię Mycoplasma genitalium. Wiele jest jeszcze do zrobienia, bo cel jest ambitny.