И как это может помочь в лечении аутизма, эпилепсии и болезни Паркинсона
Совместные исследования биологов и математиков за последние десятилетия стали привычными (как известно, чаще всего выдающиеся результаты сейчас получают «на стыке наук»). Одним из результатов этого союза стало возникновение новой научной дисциплины – математической биологии: раздела науки, который занимается исследованием биологических систем во всех их аспектах методом математического моделирования.
В ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» развитием этого направления занимаются, в частности, сотрудники лаборатории молекулярно-генетических систем д.б.н. Виталий Лихошвай и д.б.н. Тамара Хлебодарова (на фото). Они изучают свойства молекулярно-генетических систем как динамических объектов: описывают их структурно-функциональную организацию, формализуют в виде систем дифференциальных уравнений и изучают динамические режимы их функционирования.
Рассматривая организмы как динамические саморазвивающимися системы, исследователи отмечают их внутреннюю неустойчивость, поскольку одним из факторов генерации хаоса в системе являются регуляторные механизмы по типу обратной связи, которые широко распространены в живых системах на всех уровнях их организации, в том числе и на молекулярно-генетическом. Еще одним важным фактором внутренней нестабильности исследователи считают запаздывания регуляторных сигналов, т.е., наличие промежутка времени от момента генерации регуляторного сигнала до момента его воздействия на мишень. Наличие этих факторов в клетке обусловлено самой природой существующей системы переноса наследственной информации, закодированной в ДНК, в структуру клетки. Это очень сложный, многоступенчатый, продолжительный по времени процесс, одним из компонентов которого являются рибосомы. Они синтезируют все белки, включая самих себя, и те, что занимаются утилизацией ранее созданных, но уже не нужных клетке белков.
Получается, что клетка является автокаталитической системой, в которой одновременно протекает два процесса – позитивный и негативный, – которые могут быть источником возникновения очень сложной, в том числе, и хаотической динамики. И эта возможность заложена в структуре самой клетки!
В этой связи возникают вопросы не только о роли хаоса в функционировании живых систем (позитивного или негативного), но и о том, как клетка, несмотря на внутреннюю неустойчивость, эволюционно решила проблему стабилизации своей структурно-функциональной организации.
Поиском ответов на эти вопросы и занимаются сотрудники лаборатории молекулярно-генетических систем. В числе их свежих результатов, статья в MOLECULAR PSYCHIATRY.
– Эта статья продолжает цикл наших исследований изучения взаимосвязей между структурно-функциональной организацией системы и ее динамическими свойствами, – рассказала Тамара Хлебодарова. – В данном случае мы исследовали процесс локальной трансляции, протекающий в синапсе.
Синапсом называют часть клетки, через которую происходит контакт между нейроном, передающим электрический сигнал, и другой клеткой — например, вторым нейроном, принимающим сигнал, или клеткой мышечной ткани, приводимой в действие этим сигналом. Использование в качестве модели синапса, а не клетки в целом, позволило ученым рассмотреть трансляцию (процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной РНК, осуществляемый рибосомой) в отдельности, вне связи с процессами транскрипции и регуляции клетки в целом.
Такое упрощение модели позволяет получить более четкие результаты, уверен Виталий Лихошвай:
– Если мы попробуем описать клетку во всем ее многообразии, которое придумала природа, нам придется сделать модель, учитывающую так много параметров, что мы просто никогда не получим результат.
Чем же важна модель именно этой части клетки и процессов в ней протекающих? Эта крохотная часть клетки играет на самом деле огромную роль, на ней основана работа нашей нервной системы и мозговая деятельность, связанная, в том числе, и с процессами формирования памяти. Существует предположение, что целый ряд нейропсихических заболеваний (аутизм, эпилепсия, болезнь Паркинсона и др.) связан с нарушениями в работе синапсов пирамидальных клеток мозга. В опубликованной в MOLECULAR PSYCHIATRY статье новосибирские ученые высказали гипотезу, что причиной заболеваний, связанных с нарушением работы синапсов, может быть динамический хаос в системе локальной трансляции. Это предположение требует дополнительной проверки, но если это подтвердится, то модель, построенная новосибирскими учеными, поможет разобраться в самой природе этих нарушений. Что, в свою очередь, является необходимым условием для поиска эффективных способов его устранения.
Пресс-служба ФИЦ «ИЦиГ СО РАН»
