数学揭示了活细胞如何思考

活细胞的“大脑”如何工作，让生物体在不断变化和不利的环境中发挥作用并茁壮成长?昆士兰科技大学 (QUT) 研究员 Robyn Araujo 博士开发了新的数学方法，以解开一个长期存在的谜团，即细胞内极其复杂的生物网络如何在暴露于新刺激后进行适应和重置。

她的研究结果发表在Nature Communications 上，提供了对细胞通讯和细胞“认知”的新理解水平，并在多个领域具有潜在应用，包括新的靶向癌症疗法和耐药性。

昆士兰理工大学科学与工程学院应用和计算数学讲师 Araujo 博士说，虽然我们对基因序列了解很多，但我们对这些基因编码的蛋白质如何作为一个集成网络协同工作的了解极其有限。-到现在。

“蛋白质形成了深不可测的复杂化学反应网络，使细胞能够进行交流和‘思考’——本质上赋予细胞‘认知’能力或‘大脑’，”她说。“这个细胞‘大脑’如何工作一直是科学界的一个谜。

“我们永远无法测量蜂窝网络的全部复杂性——网络太大且相互关联，而且它们的组成蛋白太易变。

“但数学提供了一种工具，使我们能够探索如何构建这些网络以使其发挥作用。

“我的研究为我们提供了一种新的方式来看待自然界中的网络复杂性。”

Araujo 博士的工作重点是被广泛观察到的称为完美适应的功能——网络在受到新刺激后自我重置的能力。

“完美适应的一个例子是我们的嗅觉，”她说。“当接触到一种气味时，我们最初会闻到它，但过了一段时间，我们觉得气味已经消失了，尽管刺激物这种化学物质仍然存在。

“我们的嗅觉已经表现出完美的适应性。这个过程使它能够对我们环境的进一步变化保持敏感，这样我们就可以检测到非常虚伪和非常强烈的气味。

QUT 研究员 Robyn Araujo 博士开发了新的数学方法来解决长期存在的谜团，即细胞内极其复杂的生物网络如何在暴露于新刺激后进行自我适应和重置。信用：QUT

“这种适应本质上一直在活细胞内发生。细胞暴露于信号——激素、生长因子和其他化学物质——并且它们的蛋白质最初会倾向于反应和反应，但然后安定下来以预刺激活动水平，即使刺激仍然存在。

“我研究了构建网络的所有可能方式，并发现为了能够以稳健的方式进行这种完美的适应，网络必须满足一组极其严格的数学原理。网络的方式数量惊人地有限可以构建以执行完美的适应。

“从本质上讲，我们现在正在发现自然界中实际存在的网络结构方面的大海捞针。

“现在还为时尚早，但这为能够用药物修改细胞网络并以更强大和更严格的方式进行操作打开了大门。癌症治疗是一个潜在的应用领域，并且深入了解蛋白质如何在细胞水平上发挥作用是关键。”

Araujo 博士说，这项已发表的研究是“为解决这个令人难以置信的深刻数学问题而不懈努力的五年多”的结果。她在弗吉尼亚州乔治梅森大学期间开始了这一领域的研究。

她在该大学理学院的导师、《自然通讯》论文的合著者Lance Liotta 教授说，Araujo 博士的研究“惊人且令人惊讶”的结果适用于任何生物体或任何规模的生化网络。

“这项研究是数学如何对社会产生深远影响的一个很好的例子，A​​raujo 博士的结果将为各个领域的科学家提供一套全新的方法，”他说。

“例如，在克服癌症耐药性的策略中——为什么肿瘤在治疗后经常适应并重新生长?

“它还可以帮助了解我们的激素系统，我们的免疫防御，如何完美地适应频繁的挑战并让我们保持健康，并且它对创建关于药物成瘾和脑神经元信号适应的新假设具有未来意义。”