Todos nós começamos a partir de uma única célula, o óvulo fertilizado. A partir dessa célula, por meio de um processo que envolve divisão celular, diferenciação celular e morte celular, um ser humano toma forma, em última análise, composto por mais de 37 trilhões de células em centenas ou milhares de tipos diferentes de células.
Embora compreendamos amplamente muitos aspectos desse processo de desenvolvimento, não conhecemos muitos detalhes.

Uma melhor compreensão de como um óvulo fertilizado se transforma em trilhões de células para formar um ser humano é principalmente um desafio matemático. O que precisamos são modelos matemáticos que possam prever e mostrar o que acontece.

O problema é que não temos um – ainda.

Em engenharia, modelagem matemática e computacional são agora cruciais – um avião é testado em simulações de computador muito antes de o primeiro protótipo ser construído. Mas a biotecnologia ainda depende em grande parte de uma combinação de tentativa e erro – e serendipidade – para criar novos tratamentos e terapias.

Então, essa falta de modelos matemáticos é um grande gargalo para a biotecnologia. Mas a disciplina incipiente da biologia sintética, onde um modelo matemático seria extremamente útil para entender a eficácia potencial de novos projetos é crucial – seja para drogas, dispositivos ou tecidos sintéticos.

É por isso que modelos matemáticos de células, especialmente de células inteiras, são amplamente considerados como um dos grandes desafios científicos deste século.

Mas estamos progredindo? A resposta curta é sim, mas às vezes temos que olhar para trás para seguir em frente.

Na década de 1950, o biólogo e matemático britânico Conrad Hal Waddington descreveu o desenvolvimento celular como uma bola de gude rolando por uma paisagem montanhosa. Os vales correspondem a células que se tornam tipos — pele, osso, células nervosas — e as colinas que dividem os vales correspondem a junções no processo de desenvolvimento, onde o destino de uma célula é escolhido.

No momento em que o mármore chega ao fundo do vale, ele se torna uma célula especializada com uma função definida.

"Escolha" aqui é um termo vago e refere-se à multiplicidade de processos moleculares intracelulares subjacentes à função e ao comportamento celular.

Em humanos, cerca de 22.000 genes e seus produtos podem afetar a dinâmica celular. Em comparação, nas bactérias o número de genes é muito menor – Escherichia coli, o organismo modelo bacteriano mais importante, tem cerca de 4.500 genes que afetam a forma como essa célula responde ao ambiente.

A paisagem de colinas e vales descrita por Waddington tenta resumir e simplificar a ação concertada desses milhares de genes, que afetam a forma, o relevo, o número de vales e colinas e outros aspectos da paisagem.

Agora acontece que a paisagem de Waddington é mais do que apenas uma metáfora. Pode ser ligado a descrições matemáticas.

Identificamos os fundos de vale com estados estáveis:deixado por conta própria, o mármore (ou célula indiferenciada) localizado no fundo do vale ficará lá para sempre. Mas se a bola de gude estiver no topo de uma colina, mesmo uma leve perturbação fará com que ela desça a encosta em direção a um vale específico.

Os matemáticos da década de 1970 adotaram o conceito de vale e desenvolveram um ramo da matemática, com o nome evocativo de "teoria da catástrofe".

Essa teoria considera como "paisagens" matemáticas altamente fertilizadas podem mudar, e qualquer mudança qualitativa é chamada de "catástrofe" ou, em linguagem menos emotiva, de "singularidade".

Cinquenta anos depois, matemáticos e cientistas da computação redescobriram esses modelos de paisagem em aplicações completamente novas.

Como agora podemos medir a expressão gênica (ou ativação) em células individuais, podemos ver que os processos moleculares internos são como células atravessando uma paisagem montanhosa.

Então, agora podemos conectar o modelo de paisagem com dados experimentais de uma maneira que Waddington poderia apenas sonhar.

Ligar a atividade dos genes ao modelo de paisagem tornou-se uma área de pesquisa ativa e empolgante. Esperamos usar isso para entender como as células se movem nessa paisagem, de um único óvulo fertilizado a milhares de tipos de células totalmente diferenciados em um humano adulto.

Um problema que recebeu pouca atenção é como a aleatoriedade (ou ruído) dos processos moleculares dentro das células afeta a paisagem e a dinâmica das células na paisagem.

Isso está no centro de nossa pesquisa recente publicada em Cell Systems , onde exploramos como esse ruído molecular pode afetar profundamente a dinâmica. Nossa equipe de pesquisa, apoiada por uma ARC Australian Laureate Fellowship, visa desenvolver uma abordagem que incorpore aleatoriedade em um sistema que possa controlar e moldar a paisagem.

Na terminologia da paisagem, o ruído molecular pode mover vales e colinas – pode até fazer os vales desaparecerem ou formar novos vales e colinas, mudando a direção enquanto adiciona ou remove possíveis destinos de nosso mármore metafórico.

Se traduzirmos isso de volta para a linguagem da biologia, isso significa que os tipos de células que poderiam existir em sistemas sem ruído (ou baixo ruído) podem desaparecer quando o ruído afetar o sistema e vice-versa.

O ruído importa.

Não é apenas uma inconveniência ou incômodo — o ruído afeta os tipos de células que podem existir em um organismo. A esperança é que possamos usar a crescente quantidade de dados moleculares de uma única célula e acoplá-los a modelos matemáticos que considerem tanto a intrincada dinâmica da regulação genética e os processos celulares, quanto os efeitos do ruído.

Nosso objetivo final é desenvolver um modelo matemático completo de células biológicas.

Até agora, temos um modelo matemático para apenas um tipo de célula (de cerca de 100 milhões), a minúscula bactéria Mycoplasma genitalium, que nos permite estudar e fazer previsões testáveis ​​sobre seu comportamento.

Isso agora está mudando através do trabalho de biólogos matemáticos e computacionais.

Nosso grupo de pesquisa está colaborando com pesquisadores de todo o mundo para enfrentar o objetivo complexo, mas que acreditamos ser alcançável, de modelar qualquer tipo de célula, incluindo a multiplicidade de células humanas.

Um dos principais insights que nos dão essa confiança é que a biologia usa e reutiliza mecanismos moleculares muito semelhantes em toda a árvore da vida.

Nossa descendência de um ancestral comum compartilhado é um dos princípios fundamentais da biologia, e podemos explorar isso para facilitar nosso trabalho:uma vez que tenhamos um modelo para um organismo, o próximo será mais fácil de modelar e assim por diante.

As relações evolutivas entre as espécies significam que podemos emprestar insights de outras espécies. E em um organismo multicelular, onde todas as células são derivadas de um único óvulo fertilizado, podemos emprestar insights de outros tipos de células à medida que preenchemos as lacunas em nossos modelos de organismos. + Explorar mais

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