¿Qué hace que un grupo de células se convierta en un hígado o un músculo? ¿Cómo dan lugar nuestros genes a proteínas, proteínas a células y células a tejidos y órganos?
La increíble complejidad de cómo interactúan estos sistemas biológicos altera la mente e impulsa el trabajo de los científicos biomédicos de todo el mundo.
Pero un par de matemáticos ha introducido una nueva forma de pensar acerca de estos conceptos que pueden ayudar a preparar el escenario para una mejor comprensión de nuestros cuerpos y otros seres vivos.
Escribiendo en Actas de la Academia Nacional de Ciencias , la pareja de la Facultad de Medicina de la Universidad de Michigan y la Universidad de California, Berkeley, presenta un marco para usar las matemáticas para comprender cómo la información genética y las interacciones entre las células dan lugar a la función real de un tipo particular de tejido.
Señalan que es un marco altamente idealizado, no uno que tenga en cuenta todos los detalles de este proceso, llamado 'surgimiento de la función'.
Pero al dar un paso atrás y hacer un modelo simplificado basado en las matemáticas, esperan crear una base para que los científicos comprendan los cambios que ocurren con el tiempo dentro y entre las células para hacer posible los tejidos vivos. También podría ayudar a comprender cómo las enfermedadescomo el cáncer puede surgir cuando las cosas no salen según lo planeado.
Belleza, combinada
El par, el profesor asistente de medicina computacional de la Facultad de Medicina de la UM, Indika Rajapakse, Ph.D. y el profesor emérito de Berkeley, Stephen Smale, Ph.D., han trabajado en los conceptos durante varios años.
"Todo el tiempo, este proceso está sucediendo en nuestros cuerpos, ya que las células mueren y surgen, y aún así mantienen la función del tejido en funcionamiento", dice Rajapakse. "Necesitamos usar matemáticas y biología hermosas juntas para comprenderla belleza de un pañuelo "
Para el nuevo trabajo, incluso escuchan el trabajo de Alan Turing, el pionero matemático británico famoso por su computadora "máquina de Turing" que descifró los códigos nazis durante la Segunda Guerra Mundial.
Hacia el final de su vida, Turing comenzó a analizar los fundamentos matemáticos de la morfogénesis, el proceso que permite que se desarrollen patrones naturales como las rayas de una cebra a medida que un ser vivo crece de un embrión a un adulto.
"Nuestro enfoque adapta la técnica de Turing, combinando la dinámica del genoma dentro de la célula y la dinámica de difusión entre las células", dice Rajapakse, quien dirige el Laboratorio de Genoma UM 4D + en el Departamento de Medicina Computacional y Bioinformática.
Su equipo de biólogos e ingenieros realiza experimentos que capturan la dinámica del genoma humano en tres dimensiones utilizando métodos bioquímicos e imágenes de alta resolución. Rajapakse también tiene una cita en el Departamento de Matemáticas de la UM, parte de la Facultad de Literatura, Ciencia y Artes.
uniendo las matemáticas y el genoma juntos
Smale, quien se retiró de Berkeley pero todavía está activo en la investigación, es considerado un pionero del modelado de sistemas dinámicos, aquellos que cambian con el tiempo y en el espacio. Ganó el premio más alto en matemáticas, la Medalla Fields, en 1966.
Hace varios años, Rajapakse se le acercó durante una visita a la UM, donde Smale obtuvo su licenciatura y posgrado. Comenzaron a explorar cómo estudiar el genoma humano, el conjunto de genes en el ADN de un organismo, como un sistema dinámico.
Basaron su trabajo en la idea de que si bien los genes de un organismo permanecen iguales durante toda la vida, la forma en que las células los usan no lo hace.
La primavera pasada, publicaron un artículo que establece una base matemática para la regulación de genes, el proceso que rige la frecuencia y el momento en que los genes son "leídos" por las células para producir proteínas.
"Ni Turing ni Steve Smale, cuando comenzamos nuestro trabajo, sabían sobre el genoma", siendo matemáticos con formación clásica, dice Rajapakse. "Pero utilizando técnicas matemáticas, podemos estudiar la dinámica natural de los genomas de grupos de células a medida quedesarrollarse e interactuar unos con otros, formando redes "
En lugar de que los nodos de esas redes sean estáticos, como supuso Turing, el nuevo trabajo los ve como sistemas dinámicos. Los genes pueden estar "conectados" a la célula, pero la forma en que se expresan depende de factores como las etiquetas epigenéticas agregadas comoresultado de factores ambientales y más.
Próximos pasos
Como resultado de su trabajo con Smale, Rajapakse ahora cuenta con fondos de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, o DARPA, para seguir explorando el tema del surgimiento de la función, incluido lo que sucede cuando el proceso cambia.
El cáncer, por ejemplo, surge de un ciclo de desarrollo y proliferación celular que salió mal. Y el proceso mediante el cual las células madre pluripotentes inducidas se producen en un laboratorio, esencialmente retrasa el reloj de un tipo celular para que recupere la capacidad deconvertirse en otros tipos de células, es otro ejemplo.
Rajapakse tiene como objetivo utilizar datos de genomas del mundo real y experimentos de biología celular en su laboratorio para informar el trabajo futuro, centrado en el cáncer y la reprogramación celular. Este trabajo también incluirá colaboraciones con otros miembros del Programa de Oncología Traslacional de la UM y Thomas Ried,MD en el Instituto Nacional del Cáncer, con el objetivo de usar las matemáticas para ver los últimos productos de investigación básica sobre el cáncer.
También está organizando una reunión de matemáticos de todo el mundo para analizar la biología computacional y el genoma este verano en Barcelona.
"El ciclo celular es lo más preciso y bello", dice Rajapakse. "Cuando tenemos una comprensión matemática clara, podemos crear modelos informáticos y explorar aún más nuestra belleza, explicada a través de las matemáticas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Medicina de Michigan - Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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