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Partiamo tutti da una singola cellula, l'ovulo fecondato. Da questa cellula, attraverso un processo che coinvolge la divisione cellulare, la differenziazione cellulare e la morte cellulare, prende forma un essere umano, costituito in definitiva da oltre 37 trilioni di cellule in centinaia o migliaia di diversi tipi cellulari.
Sebbene comprendiamo ampiamente molti aspetti di questo processo di sviluppo, non conosciamo molti dettagli.
Una migliore comprensione di come un uovo fecondato si trasformi in trilioni di cellule per formare un essere umano è principalmente una sfida matematica. Ciò di cui abbiamo bisogno sono modelli matematici in grado di prevedere e mostrare cosa succede.
Il problema è che non ne abbiamo ancora uno.
In ingegneria, la modellazione matematica e al computer sono ora cruciali:un aeroplano viene testato in simulazioni al computer molto prima che venga costruito il primo prototipo. Ma la biotecnologia si basa ancora in gran parte su una combinazione di tentativi ed errori e sulla fortuna per trovare nuovi trattamenti e terapie.
Quindi, questa mancanza di modelli matematici è un grosso collo di bottiglia per la biotecnologia. Ma la disciplina nascente della biologia sintetica, in cui un modello matematico sarebbe estremamente utile per comprendere la potenziale efficacia di nuovi progetti, è fondamentale, che si tratti di farmaci, dispositivi o tessuti sintetici.
Questo è il motivo per cui i modelli matematici di cellule, in particolare di cellule intere, sono ampiamente considerati una delle grandi sfide scientifiche di questo secolo.
Ma stiamo facendo progressi? La risposta breve è sì, ma a volte dobbiamo guardare indietro per andare avanti.
Negli anni '50, il biologo e matematico britannico Conrad Hal Waddington descrisse lo sviluppo cellulare come un marmo che rotola giù da un paesaggio collinare. Le valli corrispondono a cellule che diventano tipi - pelle, ossa, cellule nervose - e le colline che dividono le valli corrispondono a giunture nel processo di sviluppo, in cui viene scelto il destino di una cellula.
Con il tempo che il marmo si ferma nel fondovalle, è diventato una cellula specializzata con una funzione definita.
"Scelta" qui è un termine vago e si riferisce alla moltitudine di processi molecolari intracellulari che sono alla base della funzione e del comportamento cellulare.
Negli esseri umani, circa 22.000 geni e i loro prodotti potrebbero influenzare la dinamica cellulare. In confronto, nei batteri il numero di geni è molto più piccolo:l'Escherichia coli, il più importante organismo modello batterico, ha circa 4.500 geni che influenzano il modo in cui questa cellula risponde all'ambiente.
Il paesaggio di colline e valli descritto da Waddington cerca di riassumere e semplificare l'azione concertata di queste migliaia di geni, che influenzano la forma, le irregolarità, il numero di valli e colline e altri aspetti del paesaggio.
Ora si scopre che il paesaggio di Waddington è più di una semplice metafora. Può essere collegato a descrizioni matematiche.
Identifichiamo i fondovalle con stati stabili:lasciata a se stessa, la cella marmorea (o indifferenziata) posta a fondovalle vi resterà per sempre. Ma se il marmo è in bilico sulla cima di una collina, anche un leggero disturbo lo porterà a correre giù per il pendio in una valle particolare.
I matematici negli anni '70 adottarono il concetto di valle e svilupparono una branca della matematica, con il nome evocativo "teoria della catastrofe".
Questa teoria considera quanto possano cambiare "paesaggi" matematici altamente fertili e qualsiasi cambiamento qualitativo è chiamato "catastrofe" o, in un linguaggio meno emotivo, una "singolarità".
Cinquant'anni dopo, matematici e scienziati computazionali hanno riscoperto questi modelli paesaggistici in applicazioni completamente nuove.
Poiché ora possiamo misurare l'espressione (o l'attivazione) genica in singole cellule, possiamo vedere che i processi molecolari interni sono come cellule che attraversano un paesaggio collinare.
Quindi, ora possiamo collegare il modello del paesaggio con i dati sperimentali in un modo che Waddington poteva solo sognare.
Collegare l'attività dei geni al modello del paesaggio è diventato un'area di ricerca attiva ed entusiasmante. Speriamo di usarlo per capire come le cellule si muovono attraverso questo paesaggio, da un singolo ovulo fecondato a migliaia di tipi cellulari completamente differenziati in un essere umano adulto.
Un problema che ha ricevuto poca attenzione è il modo in cui la casualità (o rumore) dei processi molecolari all'interno delle cellule influenza il paesaggio e la dinamica delle cellule nel paesaggio.
Questo è al centro della nostra recente ricerca pubblicata su Cell Systems , dove esploriamo come questo rumore molecolare può influenzare profondamente la dinamica. Il nostro team di ricerca, supportato da una ARC Australian Laureate Fellowship, mira a sviluppare un approccio che incorpori la casualità in un sistema in grado di controllare e modellare il paesaggio.
Nella terminologia del paesaggio, il rumore molecolare può spostare valli e colline, può persino far scomparire valli o formare nuove valli e colline, cambiando la direzione aggiungendo o rimuovendo potenziali destinazioni del nostro marmo metaforico.
Se traduciamo questo nel linguaggio della biologia, ciò significa che i tipi cellulari che potrebbero esistere in sistemi silenziosi (o a basso rumore) possono scomparire una volta che il rumore colpisce il sistema e viceversa.
Il rumore conta.
Non è solo un inconveniente o un fastidio:il rumore colpisce i tipi di cellule che possono esistere in un organismo. La speranza è che possiamo utilizzare la crescente quantità di dati molecolari unicellulari e associarli a modelli matematici che considerano sia le complesse dinamiche della regolazione genica e dei processi cellulari, sia gli effetti del rumore.
Il nostro obiettivo finale è sviluppare un modello matematico completo di cellule biologiche.
Finora abbiamo un modello matematico per un solo tipo di cellula (su 100 milioni circa), il minuscolo batterio Mycoplasma genitalium, che ci permette di studiare e fare previsioni verificabili sul suo comportamento.
Questo sta cambiando grazie al lavoro di biologi matematici e computazionali.
Il nostro gruppo di ricerca sta collaborando con ricercatori di tutto il mondo per affrontare il complesso, ma riteniamo raggiungibile, obiettivo di modellare qualsiasi tipo di cellula, inclusa la moltitudine di cellule umane.
Una delle informazioni chiave che ci danno questa fiducia è che la biologia utilizza e riutilizza meccanismi molecolari molto simili nell'intero albero della vita.
La nostra discendenza da un antenato comune condiviso è uno dei principi fondamentali della biologia e possiamo sfruttarlo per semplificare il nostro lavoro:una volta che avremo un modello per un organismo, sarà più facile modellare il successivo, e così via.
Le relazioni evolutive tra le specie significano che possiamo prendere in prestito intuizioni da altre specie. E in un organismo multicellulare, in cui tutte le cellule derivano da un singolo uovo fecondato, possiamo prendere in prestito informazioni da altri tipi di cellule mentre riempiamo le lacune nei nostri modelli di organismo. + Esplora ulteriormente
