¿Cómo funciona el 'cerebro' de una célula viva, ¿Permitir que un organismo funcione y prospere en entornos cambiantes y desfavorables?

El investigador de la Universidad Tecnológica de Queensland (QUT), el Dr. Robyn Araujo, ha desarrollado nuevas matemáticas para resolver un antiguo misterio de cómo las redes biológicas increíblemente complejas dentro de las células pueden adaptarse y restablecerse después de la exposición a un nuevo estímulo.

Sus hallazgos, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , proporcionar un nuevo nivel de comprensión de la comunicación celular y la 'cognición' celular, y tener una aplicación potencial en una variedad de áreas, incluyendo nuevas terapias dirigidas contra el cáncer y resistencia a los medicamentos.

Dr. Araujo, un profesor de matemáticas aplicadas y computacionales en la Facultad de Ciencias e Ingeniería de QUT, dijo que si bien sabemos mucho sobre las secuencias de genes, hemos tenido un conocimiento extremadamente limitado de cómo las proteínas codificadas por estos genes trabajan juntas como una red integrada, hasta ahora.

"Las proteínas forman redes insondablemente complejas de reacciones químicas que permiten que las células se comuniquen y" piensen ", lo que esencialmente le da a la célula una capacidad" cognitiva ". o un 'cerebro', "Ella dijo." Ha sido un misterio de larga data en la ciencia cómo funciona este 'cerebro' celular.

"Nunca podríamos esperar medir la complejidad total de las redes celulares; las redes son simplemente demasiado grandes e interconectadas y las proteínas que las componen son demasiado variables.

"Pero las matemáticas proporcionan una herramienta que nos permite explorar cómo se pueden construir estas redes para que funcionen como lo hacen.

"Mi investigación nos está dando una nueva forma de ver cómo desenmarañar la complejidad de la red en la naturaleza".

El trabajo del Dr. Araujo se ha centrado en la función ampliamente observada llamada adaptación perfecta:la capacidad de una red para reiniciarse después de haber sido expuesta a un nuevo estímulo.

"Un ejemplo de adaptación perfecta es nuestro sentido del olfato, ", dijo." Cuando nos exponemos a un olor lo oleremos inicialmente pero después de un tiempo nos parece que el olor ha desaparecido, a pesar de que el químico, el estímulo, todavía está presente.

"Nuestro sentido del olfato ha mostrado una adaptación perfecta. Este proceso le permite permanecer sensible a cambios adicionales en nuestro entorno, de modo que podamos detectar olores muy finos y muy fuertes.

"Este tipo de adaptación es esencialmente lo que tiene lugar dentro de las células vivas todo el tiempo. Las células están expuestas a señales:hormonas, factores de crecimiento, y otras sustancias químicas, y sus proteínas tenderán a reaccionar y responder inicialmente, pero luego establece niveles de actividad previos al estímulo aunque el estímulo todavía esté allí.

"Estudié todas las formas posibles en que se puede construir una red y descubrí que para ser capaz de esta adaptación perfecta de una manera robusta, una red tiene que satisfacer un conjunto extremadamente rígido de principios matemáticos. Hay un número sorprendentemente limitado de formas en que se podría construir una red para realizar una adaptación perfecta.

"Esencialmente, ahora estamos descubriendo las agujas en el pajar en términos de las construcciones de redes que realmente pueden existir en la naturaleza.

"Son los primeros días, pero esto abre la puerta a poder modificar las redes celulares con drogas y hacerlo de una manera más robusta y rigurosa. La terapia del cáncer es un área de aplicación potencial, y conocer cómo funcionan las proteínas a nivel celular es clave ".

El Dr. Araujo dijo que el estudio publicado fue el resultado de más de "cinco años de incansable esfuerzo para resolver este problema matemático increíblemente profundo". Comenzó a investigar en este campo mientras estaba en la Universidad George Mason en Virginia, EE. UU.

Su mentora en la Facultad de Ciencias de la universidad y coautora de la Comunicaciones de la naturaleza papel, Profesor Lance Liotta, dijo que el resultado "asombroso y sorprendente" del estudio del Dr. Araujo es aplicable a cualquier organismo vivo o red bioquímica de cualquier tamaño.

"El estudio es un maravilloso ejemplo de cómo las matemáticas pueden tener un impacto profundo en la sociedad y los resultados del Dr. Araujo proporcionarán un conjunto de enfoques completamente nuevos para los científicos en una variedad de campos, " él dijo.

"Por ejemplo, en las estrategias para superar la resistencia a los medicamentos contra el cáncer:¿por qué los tumores se adaptan con frecuencia y vuelven a crecer después del tratamiento?

"También podría ayudar a comprender cómo nuestro sistema hormonal, nuestras defensas inmunes, adaptarse perfectamente a los desafíos frecuentes y mantenernos bien, y tiene implicaciones futuras para la creación de nuevas hipótesis sobre la adicción a las drogas y la adaptación de la señalización de las neuronas cerebrales ".