Математика раскрывает две стратегии вирусов: остаться или уйти?
Даже вирусы, несмотря на их простоту, используют стратегии. Исследователи из Японии разработали метод оценки двух таких стратегий, комбинируя биологию и математику. Этот новый инструмент может дать лучшее понимание вирусов и помочь в разработке методов лечения.
Вирусы не могут размножаться самостоятельно. Они реплицируются, заражая клетки живого организма и заставляя их производить свои копии. Для копий генетического материала вируса, созданных в клетке, есть два основных пути:
- Остаться в клетке в качестве матрицы для производства ещё большего количества копий.
- Покинуть клетку, упаковавшись в новую вирусную частицу, чтобы заразить другие клетки.
Каждый вариант имеет свои компромиссы, и стратегия отдельного вируса в распределении ресурсов между этими путями напрямую влияет на развитие инфекции и связанные с ней проблемы со здоровьем.
«Хотя ожидается, что такие стратегии существуют, доказать их наличие было сложно», — отмечает Синго Ивами, доцент факультета наук Университета Кюсю.
Как сообщается в журнале PLOS Biology, совместное исследование под руководством Сёи Иванами и Ивами (Университет Кюсю) и Коити Ватаси (Национальный институт инфекционных заболеваний) с использованием математического моделирования поведения двух штаммов вируса гепатита C (HCV) предоставило средство для оценки двух таких стратегий.
Один из изученных штаммов вызывает тяжелые и внезапные симптомы, а другой — генетически модифицированная лабораторная версия, созданная для увеличения продукции вируса (что важно для создания запасов вирусов для разработки методов лечения и вакцин).
В качестве экспериментальной основы для моделирования группа Ватаси измерила характеристики поведения каждого вируса (например, количество зараженных клеток и количество вирусного генетического кода внутри и снаружи клеток) в течение нескольких дней в лабораторных условиях.
Затем группа Ивами разработала математическую модель с параметрами, учитывающими ключевые процессы, такие как скорость репликации и высвобождения вирусной генетической информации, чтобы объяснить экспериментальные данные.
Определив диапазон параметров модели, которые достоверно воспроизводят наблюдаемые экспериментальные результаты, исследователи смогли количественно оценить различия в поведении двух штаммов. В частности, они оценили, что доля реплицированного генетического кода, которая упаковывается лабораторным штаммом для создания новых вирусных частиц, была в три раза выше, чем у другого штамма. Это указывает на предпочтение стратегии «уйти» для первого и стратегии «остаться» для второго.
«Стратегия «остаться» изначально производит копии генетического кода быстрее, в то время как стратегия «уйти» делает акцент на заражении новых клеток», — объясняет Ивами. «Хотя другие математические модели существуют, наша — первая, которая оценивает эти противоположные эволюционные стратегии».
Текущая модель имеет некоторые ограничения (например, предполагает постоянство некоторых процессов и не включает некоторые детальные биологические процессы), но на данный момент она предоставляет относительно простой способ получить общее представление о двух вирусных стратегиях.
«Подобные стратегии могут быть общими для других хронических вирусных инфекций, и их понимание может помочь нам разработать эффективные терапевтические методы противодействия индивидуальным вирусным стратегиям», — комментирует Ивами.