Las matemáticas arrojan luz sobre cómo las células vivas 'piensan'

in math •  5 months ago
¿Cómo funciona el "cerebro" de una célula viva, permitiendo que un organismo funcione y prospere en entornos cambiantes y desfavorables?

El Dr. Robyn Araujo, investigador de la Universidad de Tecnología de Queensland (QUT), 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, publicados en Nature Communications, brindan un nuevo nivel de comprensión de la comunicación celular y la "cognición" celular, y tienen una posible aplicación en una variedad de áreas, incluidas nuevas terapias contra el cáncer dirigidas y resistencia a los medicamentos.

El Dr. Araujo, 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 una visión extremadamente limitada de cómo las proteínas codificadas por estos genes funcionan juntas como una red integrada -hasta ahora.

"Las proteínas forman redes insondables y complejas de reacciones químicas que permiten que las células se comuniquen y 'piensen', esencialmente dándole a la célula una capacidad 'cognitiva' o un 'cerebro'", 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 sus proteínas componentes 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 brinda una nueva forma de analizar 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 restablecerse después de haber estado expuesta a un nuevo estímulo.

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

"Nuestro sentido del olfato ha demostrado una adaptación perfecta. Este proceso le permite seguir siendo sensible a los cambios en nuestro entorno para que podamos detectar olores muy finos y muy fuertes.

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El Dr. Robyn Araujo, investigador de QUT, ha desarrollado nuevas matemáticas para resolver un misterio de larga data de cómo las redes biológicas increíblemente complejas dentro de las células pueden adaptarse y restablecerse después de la exposición a un nuevo estímulo.

"Este tipo de adaptación es esencialmente lo que ocurre dentro de las células vivas todo el tiempo. Las células están expuestas a señales -hormonas, factores de crecimiento y otros químicos- y sus proteínas tienden a reaccionar y responder inicialmente, pero luego se estabilizan niveles de actividad de estímulo a pesar de que el estímulo todavía está allí.

"Estudié todas las formas posibles en que se puede construir una red y descubrí que para poder realizar esta adaptación perfecta de manera robusta, una red debe cumplir un conjunto de principios matemáticos extremadamente rígidos. podría ser construido para realizar una adaptación perfecta.

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

"Es temprano, pero esto abre la puerta a la posibilidad de modificar las redes celulares con medicamentos y hacerlo de una manera más robusta y rigurosa. La terapia del cáncer es un área potencial de aplicación, y las ideas sobre 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 esfuerzos incansables para resolver este problema matemático increíblemente profundo". Ella comenzó a investigar en este campo mientras estaba en la Universidad George Mason en Virginia, en los Estados Unidos.

Su mentor en la Facultad de Ciencias de la universidad y coautor del artículo de Nature Communications, el profesor Lance Liotta, dijo que el resultado "sorprendente 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 profundo impacto en la sociedad y los resultados del Dr. Araujo proporcionarán un conjunto de enfoques completamente nuevos para los científicos en una variedad de campos", dijo.

"Por ejemplo, en las estrategias para vencer 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, se adapta perfectamente a los desafíos frecuentes y nos mantiene saludables, y tiene implicaciones futuras para crear nuevas hipótesis sobre la adicción a las drogas y la adaptación de la señalización de las neuronas cerebrales".


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