La vida de una célula es un asunto ruidoso. Estos componentes básicos de la vida cambian constantemente. Pueden expresar espontáneamente diferentes proteínas y genes, cambiar de forma y tamaño, morir o resistir la muerte, o dañarse y ser cancerosos. Incluso dentro de una población delmismo tipo de célula, existe una inmensa variabilidad aleatoria entre las estructuras de las células, los niveles de expresión de proteínas y los tamaños.
"La alta dimensionalidad y el ruido son propiedades inherentes de las grandes redes intracelulares", dijo Adilson E. Motter, Profesor de Física y Astronomía Charles E. y Emma H. Morrison en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de la Universidad Northwestern.sido considerado como un obstáculo para el control racional del comportamiento celular "
Motter y sus colaboradores en Northwestern han desafiado y redefinido esta creencia de larga data. Usando un algoritmo computacional recientemente desarrollado, mostraron que esta aleatoriedad dentro y entre las células, llamada "ruido", puede manipularse para controlar las redes que gobiernanel funcionamiento de las células vivas: promueve la salud celular y alivia potencialmente enfermedades como el cáncer.
Apoyada por el Centro de Oncología y Ciencias Físicas del Instituto Nacional del Cáncer en Northwestern y la Fundación Nacional de Ciencias, la investigación se describe en la edición del 16 de septiembre de la revista Revisión física X . Motter y William L. Kath, profesor de Ciencias de la Ingeniería y Matemáticas Aplicadas, son coautores del artículo. Daniel K.Wells, un estudiante graduado en matemáticas aplicadas, es el primer autor del artículo.
"El ruido se refiere a los aspectos aleatorios del comportamiento celular, especialmente la regulación génica", dijo Wells. "La regulación génica no es como una estación de tren, donde las proteínas reguladoras de la expresión génica se envían a intervalos regulares, activa o desactiva un gen, y luego se envían. En cambio, la expresión génica se modifica constantemente y al azar ".
Al aprovechar el ruido, el equipo descubrió que la dinámica reguladora de genes de alta dimensión podría controlarse en su lugar controlando una red mucho más pequeña y simple, denominada "red de transiciones de estado". En esta red, las células cambian aleatoriamente de un estado fenotípico aotro, a veces desde estados que representan fenotipos de células sanas hasta estados poco saludables donde las condiciones son potencialmente cancerosas. Las rutas de transición entre estos estados se pueden predecir, ya que las células que realizan la misma transición generalmente viajarán a lo largo de rutas similares en su expresión génica.
El equipo compara este fenómeno con la formación de caminos en un campus universitario. Si no hay un camino pavimentado entre un par de edificios, la gente generalmente tomará el camino que es más fácil de atravesar, dejando caer la hierba para revelar la suciedada continuación. Eventualmente, los planificadores del campus pueden ver este camino predefinido y allanarlo.
De manera similar, al analizar inicialmente una red reguladora de genes, el equipo utilizó por primera vez el ruido para definir la ruta de transición más probable entre los diferentes estados del sistema, y conectó estas rutas en la red de transiciones de estado. Al hacerlo, los investigadores podrían centrarse solo enuna ruta entre dos estados, destilando un sistema multidimensional a una serie de rutas de interconexión unidimensionales.
"Incluso en sistemas tan complejos y de alta dimensión como una red reguladora de genes, normalmente solo hay un mejor camino que seguirá una ruidosa transición de un estado a otro", dijo Kath. "Se podría pensar que hay muchos caminos diferentesposible, pero eso no es cierto: un camino es mucho mejor que todos los demás "
El equipo desarrolló un enfoque computacional que puede identificar modificaciones óptimas de los parámetros ajustables experimentalmente, como las tasas de activación de proteínas, para alentar las transiciones deseadas entre diferentes estados. El método es ideal para implementaciones experimentales porque cambia la respuesta del sistema al ruidoque cambiar el ruido en sí, que es casi imposible de controlar.
"El ruido es extremadamente importante para los sistemas", dijo Wells. "En lugar de controlar directamente una celda para pasar de un mal estado a un buen estado, lo cual es difícil, simplemente hacemos que sea más fácil que el ruido lo haga por sí solo.Esto es análogo a pavimentar solo un camino que sale de un edificio y deja a todos los demás sin pavimentar: es más probable que las personas que abandonan el edificio caminen por el camino pavimentado y, por lo tanto, terminarán preferentemente donde va ese camino ".
Aunque la investigación actual es teórica y se centra en las redes biológicas, el equipo postula que esta estrategia podría usarse para otras redes complejas donde hay ruido, como en las redes alimentarias y las redes eléctricas, y podría usarse para prevenir transiciones repentinas enestos sistemas, que conducen a colapsos de ecosistemas y fallas en la red eléctrica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Amanda Morris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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