Galen Collins, assistente professore presso il Dipartimento di Biochimica, Biologia Molecolare, Entomologia e Patologia Vegetale della MSU, è coautore dell'articolo pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences ad aprile.

"Capiamo già quanto velocemente vengono prodotte le proteine, cosa che può avvenire in pochi minuti", ha affermato Collins, che è anche uno scienziato della Mississippi Agricultural and Forestry Experiment Station. "Fino ad ora, avevamo una conoscenza molto scarsa di quanto tempo impiegassero per rompersi."

L'articolo di matematica applicata, "Determinazione della massima entropia della dinamica del proteoma dei mammiferi", presenta i nuovi strumenti che quantificano i tassi di degradazione delle proteine ​​cellulari - quanto velocemente si distruggono - aiutandoci a capire come le cellule crescono e muoiono e come invecchiamo. Le proteine, molecole complesse costituite da varie combinazioni di amminoacidi, trasportano la maggior parte del carico di lavoro all'interno di una cellula, fornendone la struttura, rispondendo ai messaggi provenienti dall'esterno della cellula e rimuovendo le scorie.

I risultati hanno dimostrato che non tutte le proteine ​​si degradano allo stesso ritmo, ma rientrano invece in tre categorie, degradandosi nel corso di minuti, ore o giorni. Mentre la ricerca precedente aveva esaminato la degradazione delle proteine ​​cellulari, questo studio è stato il primo a quantificare matematicamente i tassi di degradazione di tutte le molecole proteiche cellulari, utilizzando una tecnica chiamata entropia massima.

"Per alcuni tipi di domande scientifiche, gli esperimenti possono spesso rivelare infinite risposte possibili; tuttavia, non sono tutte ugualmente plausibili", ha affermato l'autore principale Alexander Dear, ricercatore in matematica applicata presso l'Università di Harvard.

"Il principio della massima entropia è una legge matematica che ci mostra come calcolare con precisione la plausibilità di ogni risposta, la sua 'entropia', in modo da poter scegliere quella più probabile."

"Questo tipo di matematica è un po' come una telecamera che ingrandisce la targa da molto lontano e capisce quali dovrebbero essere i numeri", ha detto Collins. "La massima entropia ci fornisce un quadro chiaro e preciso di come avviene la degradazione delle proteine ​​nelle cellule."

Inoltre, il team ha utilizzato questi strumenti per studiare alcune implicazioni specifiche della degradazione delle proteine ​​per gli esseri umani e gli animali. Per prima cosa, hanno esaminato come questi tassi cambiano man mano che i muscoli si sviluppano e si adattano alla fame.

"Abbiamo scoperto che la fame ha avuto l'impatto maggiore sul gruppo intermedio di proteine ​​nelle cellule muscolari, che hanno un'emivita di poche ore, causando uno spostamento e un'accelerazione della degradazione", ha detto Collins. "Questa scoperta potrebbe avere implicazioni per i pazienti affetti da cancro che soffrono di cachessia o atrofia muscolare a causa della malattia e dei suoi trattamenti."

Hanno inoltre esplorato il modo in cui un cambiamento nella degradazione di alcune proteine ​​cellulari contribuisce alla malattia neurodegenerativa.

"Queste malattie si verificano quando le proteine ​​di scarto, che di solito si degradano rapidamente, vivono più a lungo di quanto dovrebbero", ha detto Collins. "Il cervello diventa come la camera da letto di un adolescente, accumula spazzatura e, se non la pulisci, diventa inabitabile."

Dear ha affermato che il valore dello studio non risiede solo in ciò che ha rivelato sulla degenerazione delle proteine ​​cellulari, ma anche nel fornire agli scienziati un nuovo metodo per studiare con precisione l'attività cellulare.

"Il nostro lavoro fornisce un nuovo potente metodo sperimentale per quantificare il metabolismo delle proteine ​​nelle cellule", ha affermato. "La sua semplicità e rapidità lo rendono particolarmente adatto per lo studio dei cambiamenti metabolici."