Открытие математики открывает новый метод изучения клеточной активности и старения

Новые математические инструменты, показывающие, как быстро разрушаются клеточные белки, способны раскрыть более глубокое понимание того, как мы стареем, согласно недавно опубликованной статье, соавтором которой является исследователь из штата Миссисипи и его коллеги из Гарвардской медицинской школы и Кембриджского университета.

Гален Коллинз, доцент кафедры биохимии, молекулярной биологии, энтомологии и патологии растений МГУ, стал соавтором статьи, опубликованной в апреле в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

«Мы уже понимаем, как быстро производятся белки, что может произойти за считанные минуты», — сказал Коллинз, который также является ученым на Экспериментальной станции сельского и лесного хозяйства штата Миссисипи. «До сих пор мы очень плохо понимали, сколько времени им потребуется, чтобы сломаться».

В статье по прикладной математике «Определение максимальной энтропии динамики протеома млекопитающих» представлены новые инструменты, позволяющие количественно оценить скорость деградации клеточных белков — то, как быстро они разрушаются, — помогая нам понять, как клетки растут и умирают и как мы стареем. Белки — сложные молекулы , состоящие из различных комбинаций аминокислот, — несут основную нагрузку внутри клетки, обеспечивая ее структуру, отвечая на сообщения извне клетки и удаляя отходы.

Результаты доказали, что не все белки разлагаются с одинаковой скоростью, а попадают в одну из трех категорий, разрушаясь в течение минут, часов или дней. В то время как предыдущие исследования изучали распад клеточных белков , это исследование было первым, которое математически количественно оценило скорость деградации всех молекул клеточных белков, используя метод, называемый максимальной энтропией.

«Для определенных видов научных вопросов эксперименты часто могут выявить бесконечное множество возможных ответов; однако не все они одинаково правдоподобны», — сказал ведущий автор Александр Дир, научный сотрудник в области прикладной математики в Гарвардском университете.

«Принцип максимальной энтропии — это математический закон, который показывает нам, как точно рассчитать правдоподобие каждого ответа — его «энтропию», — чтобы мы могли выбрать тот, который является наиболее вероятным».

«Такая математика похожа на камеру, которая издалека приближает ваш номерной знак и определяет, какими должны быть цифры», — сказал Коллинз. «Максимальная энтропия дает нам ясную и точную картину того, как происходит деградация белка в клетках».

Кроме того, команда использовала эти инструменты для изучения некоторых конкретных последствий деградации белка для людей и животных. Во-первых, они изучили, как эти показатели меняются по мере развития мышц и адаптации к голоданию.

«Мы обнаружили, что голодание оказывает наибольшее влияние на промежуточную группу белков в мышечных клетках, период полураспада которых составляет несколько часов, что приводит к смещению и ускорению распада», — сказал Коллинз. «Это открытие может иметь значение для больных раком , которые испытывают кахексию или атрофию мышц из-за болезни и ее лечения».

Они также исследовали, как сдвиг в распаде определенных клеточных белков способствует нейродегенеративным заболеваниям.

«Эти заболевания возникают, когда ненужные белки, которые обычно быстро расщепляются, живут дольше, чем должны», — сказал Коллинз. «Мозг становится похож на спальню подростка, накапливая мусор, и если его не убирать, он становится непригодным для жизни».

Дир подтвердил, что ценность исследования заключается не только в том, что оно выявило дегенерацию клеточных белков, но и в том, что оно дает ученым новый метод точного исследования активности клеток.

«Наша работа представляет собой новый мощный экспериментальный метод количественной оценки белкового метаболизма в клетках», — сказал он. «Его простота и быстрота делают его особенно подходящим для изучения метаболических изменений».