Может ли математика объяснить наши тела и болезни?

Математики из Мичиганского и Калифорнийского университетов представили новый подход к пониманию того, как генетическая информация и взаимодействия клеток приводят к функционированию конкретной ткани. Их работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Новая математическая основа

Авторы — доцент Индика Раджапаксе (Медицинская школа Мичиганского университета) и профессор-эмеритус Стивен Смейл (Калифорнийский университет в Беркли) — разработали упрощённую математическую модель. Она призвана стать основой для понимания изменений во времени внутри и между клетками, которые делают возможной жизнь тканей, а также для изучения болезней вроде рака, возникающих при сбоях в этом процессе.

"Нам нужно использовать красивую математику и красивую биологию вместе, чтобы понять красоту ткани", — говорит Раджапаксе.

Наследие Тьюринга и динамические системы

Модель адаптирует подход Алана Тьюринга, который в конце жизни изучал математические основы морфогенеза — процесса формирования природных узоров (например, полос зебры). Новизна работы в объединении динамики генома внутри клетки и диффузионной динамики между клетками.

Смейл, лауреат Филдсовской премии (1966), является пионером в моделировании динамических систем. В совместной работе учёные рассматривают геном как динамическую систему: хотя гены остаются неизменными на протяжении жизни, то, как клетки их используют (экспрессия), — меняется.

В отличие от статичных узлов в модели Тьюринга, в новой работе они — динамические системы. На экспрессию генов влияют, например, эпигенетические метки, добавляемые под воздействием факторов среды.

Практические перспективы

Благодаря этой работе Раджапаксе получил финансирование от DARPA для изучения "возникновения функции", включая сбои в процессе:

• Рак — результат нарушения цикла развития и пролиферации клеток.
• Репрограммирование клеток — процесс создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в лаборатории.

Дальнейшие планы включают использование реальных экспериментальных данных по геномике и биологии клеток для моделирования рака и репрограммирования клеток в сотрудничестве с Национальным институтом рака.

"Клеточный цикл — самая точная и красивая вещь. Когда у нас будет чёткое математическое понимание, мы сможем создавать компьютерные модели и дальше исследовать красоту нас самих, объяснённую через математику", — заключает Раджапаксе.

Летом в Барселоне он также организует встречу математиков со всего мира для обсуждения вычислительной биологии и генома.