Como funciona o 'cérebro' de uma célula viva, permitindo que um organismo funcione e prospere em ambientes mutáveis ​​e desfavoráveis?

A pesquisadora da Queensland University of Technology (QUT), Dra. Robyn Araujo, desenvolveu uma nova matemática para resolver um antigo mistério de como as incrivelmente complexas redes biológicas dentro das células podem se adaptar e reiniciar após a exposição a um novo estímulo.

Suas descobertas, publicado em Nature Communications , fornecem um novo nível de compreensão da comunicação celular e da 'cognição' celular, e têm aplicação potencial em uma variedade de áreas, incluindo novas terapias direcionadas ao câncer e resistência aos medicamentos.

Dr. Araujo, um professor de matemática aplicada e computacional na Faculdade de Ciências e Engenharia da QUT, disse que embora saibamos muito sobre sequências de genes, tivemos uma visão extremamente limitada de como as proteínas codificadas por esses genes funcionam juntas como uma rede integrada - até agora.

"As proteínas formam redes incomensuravelmente complexas de reações químicas que permitem que as células se comuniquem e 'pensem' - essencialmente dando à célula uma capacidade 'cognitiva', ou um 'cérebro', "ela disse." Tem sido um mistério antigo na ciência como esse 'cérebro' celular funciona.

"Nunca poderíamos esperar medir a complexidade total das redes celulares - as redes são simplesmente muito grandes e interconectadas e suas proteínas componentes são muito variáveis.

"Mas a matemática fornece uma ferramenta que nos permite explorar como essas redes podem ser construídas para funcionar da forma que o fazem.

"Minha pesquisa está nos dando uma nova maneira de olhar para a complexidade de rede desvendada na natureza."

O trabalho do Dr. Araujo se concentrou na função amplamente observada chamada adaptação perfeita - a capacidade de uma rede se reinicializar após ter sido exposta a um novo estímulo.

"Um exemplo de adaptação perfeita é o nosso olfato, "disse ela." Quando expostos a um odor, vamos cheirá-lo inicialmente, mas depois de um tempo parece-nos que o odor desapareceu, mesmo que o produto químico, o estímulo, ainda está presente.

"Nosso olfato exibiu uma adaptação perfeita. Esse processo permite que ele permaneça sensível a novas mudanças em nosso ambiente, de modo que possamos detectar odores muito finos e muito fortes.

"Esse tipo de adaptação é essencialmente o que ocorre dentro das células vivas o tempo todo. As células são expostas a sinais - hormônios, fatores de crescimento, e outros produtos químicos - e suas proteínas tenderão a reagir e responder inicialmente, mas, em seguida, estabeleça os níveis de atividade pré-estímulo, mesmo que o estímulo ainda esteja lá.

"Estudei todas as maneiras possíveis de construir uma rede e descobri que, para ser capaz dessa adaptação perfeita de uma forma robusta, uma rede deve satisfazer um conjunto extremamente rígido de princípios matemáticos. Há um número surpreendentemente limitado de maneiras pelas quais uma rede poderia ser construída para realizar uma adaptação perfeita.

"Essencialmente, agora estamos descobrindo as agulhas no palheiro em termos de construções de rede que podem realmente existir na natureza.

"Ainda é cedo, mas isso abre a porta para ser capaz de modificar redes celulares com drogas e fazê-lo de forma mais robusta e rigorosa. A terapia do câncer é uma área potencial de aplicação, e insights sobre como as proteínas funcionam em um nível celular é fundamental. "

Dr. Araujo disse que o estudo publicado foi o resultado de mais de "cinco anos de esforço incansável para resolver este problema matemático incrivelmente profundo". Ela começou a pesquisar neste campo enquanto estudava na George Mason University, na Virgínia, nos Estados Unidos.

Seu mentor no College of Science da universidade e co-autor do Nature Communications papel, Professor Lance Liotta, disse que o resultado "surpreendente e surpreendente" do estudo do Dr. Araujo é aplicável a qualquer organismo vivo ou rede bioquímica de qualquer tamanho.

“O estudo é um exemplo maravilhoso de como a matemática pode ter um impacto profundo na sociedade e os resultados do Dr. Araujo fornecerão um conjunto de abordagens completamente novas para cientistas em uma variedade de campos, " ele disse.

"Por exemplo, em estratégias para superar a resistência aos medicamentos contra o câncer - por que os tumores freqüentemente se adaptam e voltam a crescer após o tratamento?

"Também pode ajudar a compreender como o nosso sistema hormonal, nossas defesas imunológicas, se adaptar perfeitamente aos desafios frequentes e nos manter bem, e tem implicações futuras para a criação de novas hipóteses sobre o vício em drogas e a adaptação de sinalização de neurônios cerebrais. "