Hoe werkt het 'brein' van een levende cel, een organisme laten functioneren en gedijen in veranderende en ongunstige omgevingen?

Dr. Robyn Araujo, onderzoeker van de Queensland University of Technology (QUT), heeft nieuwe wiskunde ontwikkeld om een ​​al lang bestaand mysterie op te lossen over hoe de ongelooflijk complexe biologische netwerken in cellen zich kunnen aanpassen en resetten na blootstelling aan een nieuwe stimulus.

Haar bevindingen, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een nieuw niveau van begrip van cellulaire communicatie en cellulaire 'cognitie' bieden, en hebben potentiële toepassing in een verscheidenheid van gebieden, waaronder nieuwe gerichte kankertherapieën en resistentie tegen geneesmiddelen.

Dr. Araujo, een docent toegepaste en computationele wiskunde aan de faculteit Wetenschap en Techniek van QUT, zei dat hoewel we veel weten over gensequenties, we hebben tot nu toe extreem beperkt inzicht gehad in hoe de eiwitten die door deze genen worden gecodeerd, samenwerken als een geïntegreerd netwerk.

"Eiwitten vormen ondoorgrondelijk complexe netwerken van chemische reacties die cellen in staat stellen te communiceren en te 'denken' - waardoor de cel in wezen een 'cognitief' vermogen krijgt, of een 'brein', " zei ze. "Het is al lang een mysterie in de wetenschap hoe dit cellulaire 'brein' werkt.

"We zouden nooit kunnen hopen de volledige complexiteit van cellulaire netwerken te meten - de netwerken zijn gewoon te groot en onderling verbonden en hun samenstellende eiwitten zijn te variabel.

"Maar wiskunde biedt een hulpmiddel waarmee we kunnen onderzoeken hoe deze netwerken kunnen worden geconstrueerd om te presteren zoals ze doen.

"Mijn onderzoek geeft ons een nieuwe manier om te kijken naar het ontrafelen van netwerkcomplexiteit in de natuur."

Dr. Araujo's werk was gericht op de algemeen waargenomen functie die perfecte aanpassing wordt genoemd - het vermogen van een netwerk om zichzelf te resetten nadat het is blootgesteld aan een nieuwe stimulus.

"Een voorbeeld van perfecte aanpassing is ons reukvermogen, "zei ze. "Als we worden blootgesteld aan een geur, zullen we deze aanvankelijk ruiken, maar na een tijdje lijkt het ons dat de geur is verdwenen, ook al is de chemische de prikkel, is nog steeds aanwezig.

"Ons reukvermogen heeft zich perfect aangepast. Door dit proces blijft het gevoelig voor verdere veranderingen in onze omgeving, zodat we zowel zeer schijnbare als zeer sterke geuren kunnen detecteren.

"Dit soort aanpassing is in wezen wat er de hele tijd in levende cellen plaatsvindt. Cellen worden blootgesteld aan signalen - hormonen, groeifactoren, en andere chemicaliën - en hun eiwitten zullen de neiging hebben om in eerste instantie te reageren en te reageren, maar zak dan naar het niveau van vóór de prikkel, ook al is de prikkel er nog steeds.

"Ik heb alle mogelijke manieren bestudeerd waarop een netwerk kan worden gebouwd en heb ontdekt dat ik in staat ben tot deze perfecte aanpassing op een robuuste manier, een netwerk moet voldoen aan een uiterst rigide set wiskundige principes. Er is een verrassend beperkt aantal manieren waarop een netwerk kan worden geconstrueerd om een ​​perfecte aanpassing uit te voeren.

"In wezen ontdekken we nu de spelden in de hooiberg als het gaat om de netwerkconstructies die daadwerkelijk in de natuur kunnen bestaan.

"Het is vroeg, maar dit opent de deur naar het kunnen modificeren van celnetwerken met medicijnen en dit op een meer robuuste en rigoureuze manier. Kankertherapie is een potentieel toepassingsgebied, en inzicht in hoe eiwitten werken op cellulair niveau is de sleutel."

Dr. Araujo zei dat de gepubliceerde studie het resultaat was van meer dan "vijf jaar niet-aflatende inspanning om dit ongelooflijk diepe wiskundige probleem op te lossen". Ze begon onderzoek op dit gebied terwijl ze aan de George Mason University in Virginia in de VS werkte.

Haar mentor aan het College of Science van de universiteit en co-auteur van de Natuurcommunicatie papier, Professor Lance Liotta, zei dat de "verbazingwekkende en verrassende" uitkomst van Dr. Araujo's studie van toepassing is op elk levend organisme of biochemisch netwerk van elke omvang.

"De studie is een prachtig voorbeeld van hoe wiskunde een diepgaande invloed kan hebben op de samenleving en de resultaten van Dr. Araujo zullen een reeks volledig nieuwe benaderingen bieden voor wetenschappers op verschillende gebieden, " hij zei.

"Bijvoorbeeld, in strategieën om resistentie tegen kankermedicijnen te overwinnen - waarom passen tumoren zich vaak aan en groeien ze terug na de behandeling?

"Het kan ook helpen om te begrijpen hoe ons hormoonsysteem, onze immuunafweer, perfect aanpassen aan frequente uitdagingen en ons goed houden, en het heeft toekomstige implicaties voor het creëren van nieuwe hypothesen over drugsverslaving en aanpassing van hersenneuronsignalering."