De derde wet van sciencefictionschrijver Arthur C. Clarke zegt dat 'elke voldoende geavanceerde technologie niet te onderscheiden is van magie'.

Indika Rajapakse, Ph.D., is een gelovige. De ingenieur en wiskundige is nu een bioloog. En hij gelooft dat de schoonheid van het combineren van deze drie disciplines cruciaal is om te ontrafelen hoe cellen werken.

Zijn laatste ontwikkeling is een nieuwe wiskundige techniek om te begrijpen hoe de kern van een cel is georganiseerd. De techniek, die Rajapakse en medewerkers op verschillende soorten cellen testten, onthulde wat de onderzoekers zelfvoorzienende transcriptieclusters noemden, een subset van eiwitten die een sleutelrol spelen bij het behouden van de celidentiteit.

Ze hopen dat dit begrip kwetsbaarheden aan het licht zal brengen die als doelwit kunnen worden gebruikt om een ​​cel te herprogrammeren om kanker of andere ziekten te stoppen.

"Steeds meer kankerbiologen denken dat de organisatie van het genoom een ​​grote rol speelt bij het begrijpen van oncontroleerbare celdeling en of we een kankercel kunnen herprogrammeren. Dat betekent dat we meer details moeten begrijpen over wat er in de kern gebeurt", zegt Rajapakse, universitair hoofddocent computational geneeskunde en bio-informatica, wiskunde en biomedische technologie aan de Universiteit van Michigan. Hij is ook lid van het U-M Rogel Cancer Center.

Rajapakse is senior auteur van het artikel, gepubliceerd in Nature Communications . Het project werd geleid door een drietal afgestudeerde studenten met een interdisciplinair team van onderzoekers.

Het team verbeterde een oudere technologie om chromatine te onderzoeken, Hi-C genaamd, dat in kaart brengt welke delen van het genoom zich dicht bij elkaar bevinden. Het kan chromosoomtranslocaties identificeren, zoals die bij sommige kankers voorkomen. De beperking is echter dat het alleen deze aangrenzende genomische regio's ziet.

De nieuwe technologie, Pore-C genaamd, gebruikt veel meer gegevens om te visualiseren hoe alle stukjes in de celkern op elkaar inwerken. De onderzoekers gebruikten een wiskundige techniek genaamd hypergraphs. Denk aan:driedimensionaal Venn-diagram. Het stelt onderzoekers in staat om niet alleen paren van genomische regio's te zien die op elkaar inwerken, maar de totaliteit van de complexe en overlappende genoombrede relaties binnen de cellen.

"Deze multidimensionale relatie kunnen we ondubbelzinnig begrijpen. Het geeft ons een meer gedetailleerde manier om organisatorische principes in de kern te begrijpen. Als je dat begrijpt, kun je ook begrijpen waar deze organisatorische principes afwijken, zoals bij kanker," zei Rajapakse. "Dit is alsof je drie werelden samenvoegt - technologie, wiskunde en biologie - om meer details in de kern te bestuderen."

De onderzoekers testten hun aanpak op neonatale fibroblasten, biopsie van volwassen fibroblasten en B-lymfocyten. Ze identificeerden organisaties van transcriptieclusters die specifiek zijn voor elk celtype. Ze vonden ook wat ze zelfonderhoudende transcriptieclusters noemden, die dienen als belangrijke transcriptionele handtekeningen voor een celtype.

Rajapakse beschrijft dit als de eerste stap in een groter geheel.

"Mijn doel is om dit soort beeld over de celcyclus te construeren om te begrijpen hoe een cel verschillende stadia doorloopt. Kanker is een oncontroleerbare celdeling," zei Rajapakse. "Als we begrijpen hoe een normale cel in de loop van de tijd verandert, kunnen we gecontroleerde en ongecontroleerde systemen gaan onderzoeken en manieren vinden om dat systeem te herprogrammeren." + Verder verkennen

Onthulling van de mysteries van de genoomstructuur in de menselijke celkern met behulp van een 3D-computersimulatie