Wetenschap
Wiskundige ontdekking biedt nieuwe methode om celactiviteit en veroudering te bestuderen
Nieuwe wiskundige hulpmiddelen die onthullen hoe snel celeiwitten afbreken, staan klaar om diepere inzichten te onthullen in hoe we ouder worden, volgens een onlangs gepubliceerd artikel dat mede is geschreven door een onderzoeker uit de staat Mississippi en zijn collega's van de Harvard Medical School en de Universiteit van Cambridge. P>
Galen Collins, assistent-professor bij de afdeling Biochemie, Moleculaire Biologie, Entomologie en Plantenpathologie van MSU, was co-auteur van het artikel gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences in april.
"We begrijpen al hoe snel eiwitten worden gemaakt, wat binnen enkele minuten kan gebeuren", zegt Collins, die ook wetenschapper is bij het Mississippi Agricultural and Forestry Experiment Station. "Tot nu toe hadden we een zeer slecht inzicht in hoeveel tijd het kost om ze kapot te maken."
Het artikel in de toegepaste wiskunde, 'Maximum entropy bepaling of zoogdier proteoom dynamiek', presenteert de nieuwe hulpmiddelen die de afbraaksnelheid van celeiwitten kwantificeren (hoe snel ze afbreken) en ons helpen te begrijpen hoe cellen groeien en afsterven en hoe we ouder worden. Eiwitten (complexe moleculen gemaakt van verschillende combinaties van aminozuren) dragen het grootste deel van de werklast binnen een cel over, zorgen voor de structuur ervan, reageren op berichten van buiten de cel en verwijderen afval.
De resultaten bewezen dat niet alle eiwitten in hetzelfde tempo worden afgebroken, maar in plaats daarvan in een van de drie categorieën vallen, waarbij de afbraak in de loop van minuten, uren of dagen plaatsvindt. Hoewel eerder onderzoek de afbraak van celeiwitten heeft onderzocht, was dit onderzoek het eerste waarin de afbraaksnelheid van alle celeiwitmoleculen wiskundig werd gekwantificeerd, met behulp van een techniek die maximale entropie wordt genoemd.
"Voor bepaalde soorten wetenschappelijke vragen kunnen experimenten vaak oneindig veel mogelijke antwoorden aan het licht brengen; ze zijn echter niet allemaal even plausibel", zegt hoofdauteur Alexander Dear, research fellow in de toegepaste wiskunde aan de Harvard University.
"Het principe van maximale entropie is een wiskundige wet die ons laat zien hoe we de plausibiliteit van elk antwoord nauwkeurig kunnen berekenen (de 'entropie' ervan), zodat we het antwoord kunnen kiezen dat het meest waarschijnlijk is."
"Dit soort wiskunde lijkt op een camera die van veraf inzoomt op je kenteken en uitzoekt wat de cijfers zouden moeten zijn," zei Collins. "Maximale entropie geeft ons een duidelijk en nauwkeurig beeld van hoe eiwitafbraak in cellen plaatsvindt."
Bovendien gebruikte het team deze hulpmiddelen om enkele specifieke implicaties van eiwitafbraak voor mens en dier te bestuderen. Ten eerste onderzochten ze hoe deze percentages veranderen naarmate de spieren zich ontwikkelen en zich aanpassen aan de hongerdood.
"We ontdekten dat uithongering de grootste impact had op de tussenliggende groep eiwitten in spiercellen, die een halfwaardetijd van een paar uur hebben, waardoor de afbraak verschuift en versnelt," zei Collins. "Deze ontdekking zou gevolgen kunnen hebben voor kankerpatiënten die last hebben van cachexie, oftewel spierafbraak als gevolg van de ziekte en de behandelingen ervan."
Ze onderzochten ook hoe een verschuiving in de afbraak van bepaalde celeiwitten bijdraagt aan neurodegeneratieve ziekten.
"Deze ziekten komen voor wanneer afvaleiwitten, die gewoonlijk snel afbreken, langer leven dan zou moeten," zei Collins. "De hersenen worden als de slaapkamer van een tiener, waar zich afval verzamelt, en als je het niet opruimt, wordt het onbewoonbaar."
Dear bevestigde dat de waarde van het onderzoek niet alleen ligt in wat het onthulde over de degeneratie van celeiwitten, maar ook in het feit dat wetenschappers een nieuwe methode kregen om celactiviteit nauwkeurig te onderzoeken.
"Ons werk biedt een krachtige nieuwe experimentele methode voor het kwantificeren van het eiwitmetabolisme in cellen", zei hij. "De eenvoud en snelheid maken het bijzonder geschikt voor het bestuderen van metabolische veranderingen."