Come funziona il "cervello" di una cellula vivente, permettere a un organismo di funzionare e prosperare in ambienti mutevoli e sfavorevoli?

Il ricercatore della Queensland University of Technology (QUT) Dr. Robyn Araujo ha sviluppato una nuova matematica per risolvere un mistero di vecchia data su come le reti biologiche incredibilmente complesse all'interno delle cellule possono adattarsi e ripristinarsi dopo l'esposizione a un nuovo stimolo.

Le sue scoperte, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , fornire un nuovo livello di comprensione della comunicazione cellulare e della "cognizione" cellulare, e avere potenziali applicazioni in una varietà di aree, comprese nuove terapie antitumorali mirate e resistenza ai farmaci.

Dottor Araujo, un docente di matematica applicata e computazionale presso la Facoltà di Scienze e Ingegneria di QUT, ha detto che mentre sappiamo molto sulle sequenze geniche, abbiamo avuto informazioni estremamente limitate su come le proteine ​​codificate da questi geni lavorano insieme come una rete integrata, fino ad ora.

"Le proteine ​​formano reti insondabilmente complesse di reazioni chimiche che consentono alle cellule di comunicare e di 'pensare' - essenzialmente dando alla cellula una capacità 'cognitiva', o un "cervello", " ha detto. "E 'stato un mistero di vecchia data nella scienza come funziona questo 'cervello' cellulare.

"Non potremmo mai sperare di misurare l'intera complessità delle reti cellulari:le reti sono semplicemente troppo grandi e interconnesse e le loro proteine ​​componenti sono troppo variabili.

"Ma la matematica fornisce uno strumento che ci permette di esplorare come queste reti potrebbero essere costruite per funzionare come loro.

"La mia ricerca ci sta dando un nuovo modo di guardare a svelare la complessità della rete in natura."

Il lavoro del dott. Araujo si è concentrato sulla funzione ampiamente osservata chiamata adattamento perfetto, la capacità di una rete di ripristinarsi dopo essere stata esposta a un nuovo stimolo.

"Un esempio di perfetto adattamento è il nostro senso dell'olfatto, " disse. "Quando siamo esposti a un odore inizialmente lo sentiremo ma dopo un po' ci sembra che l'odore sia scomparso, anche se la chimica, lo stimolo, è ancora presente.

"Il nostro senso dell'olfatto ha mostrato un adattamento perfetto. Questo processo gli consente di rimanere sensibile a ulteriori cambiamenti nel nostro ambiente in modo da poter rilevare sia gli odori molto finti che quelli molto forti.

"Questo tipo di adattamento è essenzialmente ciò che avviene continuamente all'interno delle cellule viventi. Le cellule sono esposte a segnali:ormoni, Fattori di crescita, e altre sostanze chimiche e le loro proteine ​​tenderanno a reagire e rispondere inizialmente, ma poi stabilirsi ai livelli di attività pre-stimolo anche se lo stimolo è ancora lì.

"Ho studiato tutti i possibili modi in cui una rete può essere costruita e ho scoperto che per essere capace di questo perfetto adattamento in modo robusto, una rete deve soddisfare un insieme estremamente rigido di principi matematici. C'è un numero sorprendentemente limitato di modi in cui una rete potrebbe essere costruita per eseguire un adattamento perfetto.

"Essenzialmente ora stiamo scoprendo gli aghi nel pagliaio in termini di costruzioni di rete che possono effettivamente esistere in natura.

"Sono i primi giorni, ma questo apre le porte a poter modificare le reti cellulari con i farmaci e farlo in modo più robusto e rigoroso. La terapia del cancro è una potenziale area di applicazione, e le intuizioni su come le proteine ​​funzionano a livello cellulare sono fondamentali".

Il dottor Araujo ha affermato che lo studio pubblicato è il risultato di più di "cinque anni di sforzi incessanti per risolvere questo problema matematico incredibilmente profondo". Ha iniziato la ricerca in questo campo mentre frequentava la George Mason University in Virginia negli Stati Uniti.

Il suo mentore presso il College of Science dell'università e co-autore di Comunicazioni sulla natura carta, Professor Lance Liotta, ha detto che il risultato "sorprendente e sorprendente" dello studio del Dr. Araujo è applicabile a qualsiasi organismo vivente o rete biochimica di qualsiasi dimensione.

"Lo studio è un meraviglioso esempio di come la matematica possa avere un profondo impatto sulla società e i risultati del Dr. Araujo forniranno una serie di approcci completamente nuovi per gli scienziati in una varietà di campi, " Egli ha detto.

"Per esempio, nelle strategie per superare la resistenza ai farmaci antitumorali:perché i tumori spesso si adattano e ricrescono dopo il trattamento?

"Potrebbe anche aiutare a capire come il nostro sistema ormonale, le nostre difese immunitarie, adattarsi perfettamente alle sfide frequenti e tenerci bene, e ha implicazioni future per la creazione di nuove ipotesi sulla tossicodipendenza e sull'adattamento della segnalazione dei neuroni cerebrali".