Πώς λειτουργεί ο «εγκέφαλος» ενός ζωντανού κυττάρου, επιτρέποντας σε έναν οργανισμό να λειτουργεί και να ευδοκιμεί σε μεταβαλλόμενα και δυσμενή περιβάλλοντα;
Η ερευνήτρια Dr Robyn Araujo από το Queensland University of Technology (QUT) ανέπτυξε νέα μαθηματικά εργαλεία για να λύσει ένα μυστήριο χρόνων, για το πώς τα απίστευτα περίπλοκα βιολογικά δίκτυα μέσα στα κύτταρα, μπορούν να προσαρμοστούν και να επαναρυθμιστούν μετά την έκθεσή τους σε ένα νέο ερέθισμα.
Τα ευρήματά της, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications, παρέχουν ένα νέο επίπεδο κατανόησης της κυτταρικής επικοινωνίας και της κυτταρικής «γνώσης» και έχουν πιθανή εφαρμογή σε ποικίλους τομείς, συμπεριλαμβανομένων των νέων στοχευμένων θεραπειών καρκίνου.
Η Dr Araujo, λέκτορας εφαρμοσμένων και υπολογιστικών μαθηματικών στη Σχολή Επιστημών και Τεχνολογίας του QUT, δήλωσε ότι ενώ γνωρίζουμε πολλά για τις αλληλουχίες γονιδίων, έχουμε πολύ περιορισμένη γνώση σχετικά με το πώς οι πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από αυτά τα γονίδια συνεργάζονται ως ολοκληρωμένο δίκτυο – μέχρι τώρα.
«Οι πρωτεΐνες σχηματίζουν σύνθετα δίκτυα χημικών αντιδράσεων που επιτρέπουν στα κύτταρα να επικοινωνούν και να «σκέπτονται» – δίνοντας ουσιαστικά στο κύτταρο μια «γνωστική» ικανότητα ή θα λέγαμε έναν «εγκέφαλο»», είπε. «Αποτελεί μακροχρόνιο μυστήριο για την επιστήμη το πώς λειτουργεί αυτός ο κυτταρικός «εγκέφαλος».»
«Δεν θα μπορούσαμε ποτέ να ελπίζουμε ότι θα καταφέρουμε να μετρήσουμε την πλήρη πολυπλοκότητα των κυψελοειδών δικτύων – τα δίκτυα είναι απλά πάρα πολύ μεγάλα και διασυνδεδεμένα και οι πρωτεΐνες των συστατικών τους είναι πολύ ευμετάβλητες.»
«Όμως τα μαθηματικά μας παρέχουν ένα εργαλείο που μας επιτρέπει να διερευνήσουμε πώς αυτά τα δίκτυα θα μπορούσαν να κατασκευαστούν ώστε να λειτουργούν όπως λειτουργούν.»
«Η έρευνά μου μας παρέχει έναν νέο τρόπο να εξετάσουμε την εξάπλωση της πολυπλοκότητας του δικτύου στη φύση».
Το έργο της Dr Araujo επικεντρώθηκε στην ευρέως παρατηρημένη λειτουργία που ονομάζεται τέλεια προσαρμογή – η δυνατότητα ενός δικτύου να επαναρυθμίζεται αφού έχει εκτεθεί σε ένα νέο ερέθισμα.
«Ένα παράδειγμα τέλειας προσαρμογής είναι η αίσθηση της όσφρησης», αναφέρει. «Όταν εκτιθέμεθα σε μια οσμή, θα τη μυρίσουμε αρχικά, ωστόσο μετά από λίγο φαίνεται ότι η οσμή έχει εξαφανιστεί, παρόλο που η χημική ουσία – το ερέθισμα – εξακολουθεί να υπάρχει. Η αίσθηση της οσμής μας έχει επιδείξει τέλεια προσαρμογή, η οποία επιτρέπει σε αυτήν να παραμείνει ευαίσθητη σε περαιτέρω αλλαγές στο περιβάλλον μας, ώστε να ανιχνεύσουμε τόσο απαλές όσο και πολύ έντονες μυρωδιές.»
«Τα κύτταρα εκτίθενται σε σήματα – ορμόνες, αυξητικούς παράγοντες και άλλα χημικά – και αρχικά οι πρωτεΐνες τους τείνουν να αντιδρούν και να ανταποκρίνονται, αλλά στη συνέχεια επανέρχονται στην κατάσταση που βρισκόταν πριν το ερέθισμα, παρόλο που το ερέθισμα εξακολουθεί να υπάρχει.»
«Μελέτησα όλους τους πιθανούς τρόπους που μπορεί να κατασκευαστεί ένα δίκτυο και διαπιστώθηκε ότι για να είναι σε θέση να επιτύχει αυτή την τέλεια προσαρμογή με έναν εύρωστο τρόπο, ένα δίκτυο πρέπει να ικανοποιεί ένα εξαιρετικά άκαμπτο σύνολο μαθηματικών αρχών. Υπάρχει ένας εκπληκτικά περιορισμένος αριθμός τρόπων μέσω των οποίων, θα μπορούσε ένα δίκτυο να κατασκευαστεί για να κάνει τέλεια προσαρμογή.»
Η Dr Araujo είπε ότι η δημοσιευμένη μελέτη ήταν το αποτέλεσμα περισσότερων από «πέντε ετών συνεχούς υπερπροσπάθειας για την επίλυση αυτού του εξαιρετικά δύσκολου μαθηματικού προβλήματος».
Ο έτερος συγγραφέας της μελέτης και μέντοράς της, καθηγητής Lance Liotta, δήλωσε ότι το «συναρπαστικό και εκπληκτικό» αποτέλεσμα της μελέτης της Dr. Araujo ισχύει για κάθε ζωντανό οργανισμό ή βιοχημικό δίκτυο οποιουδήποτε μεγέθους.
«Η μελέτη είναι ένα θαυμάσιο παράδειγμα του πώς τα μαθηματικά μπορούν να έχουν βαθύ αντίκτυπο στην κοινωνία και τα αποτελέσματα της Dr. Araujo θα παράσχουν μια σειρά από εντελώς νέες προσεγγίσεις για τους επιστήμονες σε διάφορους τομείς», ανέφερε.
«Για παράδειγμα, στις στρατηγικές για την υπέρβαση της αντοχής του καρκίνου – γιατί οι όγκοι συχνά προσαρμόζονται και αναπτύσσονται ξανά μετά τη θεραπεία;»
«Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το ορμονικό μας σύστημα, η ανοσολογική μας άμυνα, προσαρμόζονται τέλεια σε συχνές προκλήσεις και μας κρατούν υγιείς».
