Ето как работи "мозъкът" на живите клетки според математиците

За първи път способността на протеините да работят координирано като сложна и устойчива мрежа в рамките на една клетка е описана математически, което бележи значителен напредък както в математиката, така и в биологията.

"Зад сложността на протеиновите комуникации се крият изненадващо прости принципи", съобщава редакторът на Сosmos magazine Андрю Мастърсън (Andrew Masterson).

Протеините образуват безкрайни и сложни мрежи от химични реакции, които позволяват на клетките да комуникират и "мислят" като дават на клетката когнитивен капацитет. А как работи този "клетъчен мозък" е отдавнашна загадка за науката.

Откритието е резултат от петгодишен проект, осъществен от Робин Арауджо (Robyn Araujo) от австралийския Технологичен университет на Куинсланд (QUT) и Ланс Лиота (Lance Liotta) от Университета "Джордж Майсън" в САЩ, който до голяма степен разрешава загадката как невероятно сложните биологични мрежи в клетките могат да се адаптират и да се рестартират след излагане на нов стимул.

Откритието на екипа, публикувано в Nature Communications, осигурява ново ниво на разбиране на клетъчната комуникация и клетъчния "разум" и има потенциално приложение в различни области, включително за нови терапии срещу рака и лекарствената резистентност.

"Проучих всички възможни начини, по които може да бъде изградена мрежата и открих, че за да може тази перфектна адаптация да стане устойчива, мрежата трябва да се подчинява на изключително строги математически принципи" - разказва д-р Арауджо.

Въпреки че изчисленията, свързани с такова проучване, могат да бъдат много сложни, заключенията, които те дават, са неочаквано елегантни.

Изследователите разкриват, че еволюционните процеси са обусловени от прости принципи на дизайна, които се разширяват, но създадат устойчиви резултати, независимо от размера на мрежите.

^{Основна еукариотна метаболитна мрежа. Кръговете показват метаболитите, а линиите - конверсиите на ензимите. Много ит метаболитите могат да се получават по повече от един начин, поради което организмът е устойчив на загубата на някои метаболитните ензими. Wikimedia Commons}

Фокусът на интереса на математиците е явление, известно като устойчива перфектна адаптация (robust perfect adaptation - RPA) - която представлява способността на дадена мрежа да се рестартира след излагане на нов стимул.

"Пример за перфектна адаптация е нашето усещане за миризма", обяснява Арауджо. "Когато се изложим на някаква миризма, ще я усетим първоначално, но след известно време ни се струва, че миризмата е изчезнала, въпреки че химикалът, стимулът все още е налице. Нашето усещане за мирис показва перфектна адаптация. Този процес ни позволява да останем чувствителни към по-нататъшните промени в нашата околна среда, за да можем да открием както много слаби, така и много силни миризми".

Този тип нулиране се случва в живите клетки почти постоянно. Всяка клетка е обект на непрекъснат поток от нови входящи стимули, като хормони и растежни фактори. Във всеки отделен случай има първоначална реакция, след който нещата отново се успокояват, въпреки че стимулът е все още там.

Науката знае много за това как се генерират тези стимули - например чрез генни последователности - но как множеството протеини взаимодействат помежду си остава неясно.

Сложността на реакциите в клетката е толкова голяма, че не се поддава на просто картографиране, така че изследователите се питат дали математическият анализ може да даде някои отговори.

Оказва се, че това е възможно.

"Има изненадващо ограничен брой начини да бъде изградена мрежа, която да извършва перфектната адаптация".

Изследователите се обръщат към клон на математиката, наречен топология, който по същество е изследва как се запазват свойствата на даден обект, дори и да е деформиран, усукан или разтеглен.

Използвайки този подход, те успяват да разработят съвсем нов набор от дефиниции, които могат да опишат, интерпретират и отчвтат всички възможни потоци и контроли на биохимичните сигнали в мрежата.

Унифициращите принципи работят независимо от размера на мрежата и не изискват предварително познаване на взаимосвързаността на компонентите й, нито колко силна ще бъде всяка индивидуална реакция.

Постижението ще се окаже полезно не само математиците.

"По същество сега откриваме иглите в купата сено по отношение на мрежовите конструкции, които наистина могат да съществуват в природата", коментира Арауджо.

Въпреки че е преждевременно да се оценят тези резултати, те отварят вратата към възможността да се променят клетъчните мрежи с лекарства и да се постига това по много по-ефективен начин. Ранната терапия е потенциална област на приложение и идеите за това как протеините работят на клетъчно ниво са ключови, което придава на това изследване огромно значение.

Още по темата

10/05/2015

Животът

Ще се намери ли Хигс бозона на биологията?(видео)