Биологи используют математику для понимания здоровья и болезней

Математические компьютерные модели — мощный инструмент для изучения сложных живых систем. Джон Тайсон, профессор биологии из Виргинского политехнического института, создаёт такие модели, чтобы понять, как клетки обрабатывают информацию и принимают решения.

Клетки получают информацию в виде химических сигналов, физического контакта с другими клетками или повреждений от радиации. На основе этой информации они должны принять правильное решение: расти и делиться, остановить рост для починки повреждений или совершить самоуничтожение (апоптоз).

Вопрос для молекулярного биолога: какие лежащие в основе молекулярные механизмы реализуют эти системы обработки информации? «Подобно тому, как компьютер — это система обработки информации, состоящая из кремниевых чипов, проводов, материнской платы, тактового генератора и источника питания, клетка — это система обработки информации, созданная из генов, матричных РНК (mRNA), белков и ферментов», — говорит Тайсон. Эти молекулы каким-то образом взаимодействуют друг с другом, чтобы обнаруживать сигналы, принимать решения и реализовывать правильный ответ.

Биологи хотят понять, как наборы молекул определяют, как клетка должна реагировать на окружающую среду, чтобы выживать, расти и размножаться. «Поэтому мы делаем то, что сделал бы любой хороший инженер. Мы создаём математическую модель компонентов и их взаимодействий и позволяем компьютеру проработать детали».

Тайсон представит свои выводы на встрече Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в Сан-Диего в рамках сессии «Движение через масштабы: математика для исследования биологических иерархий». Он выступит с докладом «Динамика молекулярных сетей и физиология клетки», или клетка как система обработки информации.

Докладчики этой сессии покажут, как математические модели помогают учёным мыслить в разных масштабах биологии — от взаимодействий между больными и здоровыми людьми до распространения глобальных пандемий. В то время как такие модели могут информировать решения общественного здравоохранения в глобальном масштабе, исследование Тайсона затрагивает фундаментальную науку в самом малом масштабе — заполняет разрыв между молекулами и клетками. «Сначала мы должны понять молекулярную основу нормального поведения клетки; тогда у нас есть шанс выяснить, как система нарушена в больных клетках», — сказал Тайсон.

Ошибки в процессе принятия решений, которые говорят клетке, когда расти и делиться, а когда оставаться в покое, вызывают рак. Опухоли — это клетки, которые растут не тогда и не там, когда и где должны. Рак — это совокупность заболеваний, вызванных ошибочным принятием решений на клеточном уровне. Клетки больше не подчиняются правилам. Причина — в молекулах, которые должны обеспечивать соблюдение этих правил.

В ходе исследований Тайсон и его коллеги использовали компьютерное моделирование для проверки математических моделей. «Если математическая модель ведёт себя на компьютере так же, как клетки в лаборатории, мы убеждаемся, что правильно понимаем молекулярные взаимодействия. Если нет, мы можем быть уверены, что наши модели упускают что-то важное».

Тайсон расскажет о контроле деления клеток у дрожжей и у млекопитающих. «С дрожжевыми клетками легко работать в лаборатории, и их системы молекулярного контроля очень похожи на системы контроля в клетках млекопитающих». Благодаря успеху в моделировании роста и деления дрожжевых клеток, Тайсон и его коллеги теперь переходят к клеткам млекопитающих и раку.

«У нас пока нет инженерного понимания нормальной пролиферации клеток млекопитающих и того, что идёт не так в раковых клетках», — говорит Тайсон. «Лечение рака по-прежнему сводится к вырезанию, облучению или отравлению раковых клеток — и любых нормальных клеток, которые попадаются на пути. Мы могли бы быть более тонкими и, возможно, более эффективными в лечении рака, если бы имели системное внутреннее понимание молекулярных сетей, контролирующих рост, деление и смерть клеток, и возможность манипулировать этой системой управления с помощью нового арсенала лекарств и процедур».