Αναμείνατε ολίγον τι
Επιστήμες

Μπορούν τα μαθηματικά να μας βοηθήσουν να εξηγήσουμε όσα συμβαίνουν στο σώμα μας;

Μπορούν τα μαθηματικά να μας βοηθήσουν να εξηγήσουμε όσα συμβαίνουν στο σώμα μας;

Πώς από τα γονίδιά μας δημιουργούνται πρωτεΐνες, από τις πρωτεΐνες κύτταρα και από τα κύτταρα ιστοί και όργανα;

Η απίστευτη πολυπλοκότητα του τρόπου με τον οποίο αυτά τα βιολογικά συστήματα αλληλεπιδρούν αποτελεί αντικείμενο έρευνας της βιοϊατρικής επιστήμης, παγκοσμίως.

Ωστόσο και ο κλάδος των μαθηματικών συμβάλει σημαντικά σε αυτό το πεδίο έρευνας, εισάγοντας έναν νέο τρόπο σκέψης που μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση του σώματός μας και άλλων ζωντανών οργανισμών.

Επιστήμονες από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν (University of Michigan Medical School) και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (University of California, Berkeley) δημιούργησαν μία μαθηματική μέθοδο, για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο γενετικές πληροφορίες και αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων οδηγούν στη λειτουργία ενός συγκεκριμένου τύπου ιστού.

Η μελέτη τους δημοσιεύεται στο επιστημονικό έντυπο Proceedings of the National Academy of Sciences και σύμφωνα με τους επιστήμονες, αποτελεί ένα εξαιρετικά εξιδανικευμένο μοντέλο. Αυτό σημαίνει πως δεν λαμβάνει υπόψη του κάθε λεπτομέρεια της διαδικασίας.

Με αυτό το απλουστευμένο μαθηματικό μοντέλο, ελπίζουν πως θα συμβάλουν στην κατανόηση των μεταβολών που πραγματοποιούνται με την πάροδο του χρόνου, εντός και μεταξύ των κυττάρων που οδηγούν στη δημιουργία ζωντανών ιστών. Το μοντέλο αυτό, θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην καλύτερη αντίληψη για το πώς εμφανίζονται ασθένειες, όπως ο καρκίνος.

Ο Indika Rajapakse, επίκουρος καθηγητής υπολογιστικής ιατρικής από το U-M Medical School και ο Stephen Smale, επίτιμος καθηγητής από το Berkeley εργάζονται πάνω σε αυτή την ιδέα εδώ και πολλά χρόνια.

“Αυτή η διαδικασία συμβαίνει συνεχώς στο σώμα μας, καθώς τα κύτταρα πεθαίνουν και γεννιόνται και όμως διατηρούν τη λειτουργία του ιστού” αναφέρει ο Rajapakse. “Πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ‘όμορφα μαθηματικά’ και ‘όμορφη βιολογία’ για να καταλάβουμε την ομορφιά ενός ιστού”. 

Ο Alan Turing σύμμαχος στην έρευνα των επιστημόνων

Για τη μελέτη τους, οι ερευνητές επιστράτευσαν ακόμη και το έργο του Alan Turing, του πρωτοπόρου Βρετανού μαθηματικού που είναι γνωστός για την αποκωδικοποίηση της γερμανικής κρυπτογραφικής συσκευής Enigma, κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου.

Προς το τέλος της ζωής του, ο Turing αναζητούσε τα μαθηματικά θεμέλια της μορφογένεσης – της διαδικασίας που επιτρέπει σε φυσικά μοτίβα όπως είναι οι ρίγες μιας ζέβρας, να αναπτυχθούν ως κάτι έμβιο.

“Η προσέγγισή μας προσαρμόζει την τεχνική του Turing, συνδυάζοντας τη δυναμική του γονιδιώματος μέσα στο κύτταρο και τη δυναμική διάδοσης μεταξύ των κυττάρων”, αναφέρει ο Rajapakse, επικεφαλής του U-M 4D + Genome Lab στο Τμήμα Υπολογιστικής Ιατρικής και Βιοπληροφορικής.

Η ομάδα του, αποτελούμενη μεταξύ άλλων και από βιολόγους και μηχανικούς, διεξάγει πειράματα που καταγράφουν τη δυναμική του ανθρώπινου γονιδιώματος στις τρεις διαστάσεις, χρησιμοποιώντας βιοχημικές μεθόδους και απεικόνιση υψηλής ανάλυσης.

Τα κύτταρα ως δυναμικά συστήματα

Ο Smale, συνταξιούχος καθηγητής του Berkeley αλλά ενεργός ερευνητής, θεωρείται πρωτοπόρος στην μοντελοποίηση δυναμικών συστημάτων – εκείνων που αλλάζουν με το πέρασμα του χρόνου. Έχει μάλιστα κερδίσει και το μεγαλύτερο βραβείο στα μαθηματικά, το Medal Fields, το 1966.

Πριν από μερικά χρόνια, ο Rajapakse τον προσέγγισε κατά τη διάρκεια μιας επίσκεψης στο U-M, όπου ο Smale απέκτησε τα προπτυχιακά και μεταπτυχιακά του διπλώματα. Τότε, ξεκίνησαν να διερευνούν τον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσαν να μελετήσουν το ανθρώπινο γονιδίωμα – το σύνολο του γενετικού υλικού που βρίσκεται σ΄ ένα κύτταρο – ως ένα δυναμικό σύστημα.

Η μελέτη τους βασίστηκε στην ιδέα ότι τα γονίδια ενός οργανισμού παραμένουν ίδια καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής, όμως ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιούνται από τα κύτταρα, αλλάζει.

Ούτε ο Alan Turing ούτε ο Steve Smale, γνώριζαν για το γονιδίωμα, καθώς είναι κλασικά εκπαιδευμένοι μαθηματικοί”, αναφέρει ο Rajapakse. “Όμως χρησιμοποιώντας μαθηματικές τεχνικές, μπορούμε να μελετήσουμε τη δυναμική των γονιδιωμάτων κυτταρικών ομάδων καθώς αναπτύσσονται και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σχηματίζοντας δίκτυα”.

Αντί οι κόμβοι αυτών των δικτύων να είναι στατικοί, όπως υπέθετε ο Turing, οι ερευνητές στη μελέτη τους, τούς αντιμετωπίζουν ως δυναμικά συστήματα. Μπορεί τα γονίδια να είναι “συνυφασμένα” με το κύτταρο, ωστόσο ο τρόπος με τον οποίο εκφράζονται εξαρτάται από περιβαλλοντικούς και πολλούς άλλους παράγοντες.

Στόχος η μοντελοποίηση ασθενειών

Ο Rajapakse σκοπεύει να επικεντρωθεί στην έρευνα για τον καρκίνο και τον επαναπρογραμματισμό των κυττάρων. Η μελέτη του αυτή, περιλαμβάνει τη συνεργασία του με συναδέλφους του Μεταμοσχευτικού Ογκολογικού Προγράμματος U-M (U-M Translational Oncology Program) και τον Thomas Ried, MD από το Εθνικό Ινστιτούτο Καρκίνου (National Cancer Institute), με στόχο τη χρήση των μαθηματικών σε αποτελέσματα  ερευνών που αφορούν τον καρκίνο.

Ο κύκλος ζωής του κυττάρου είναι το πιο ακριβές, όμορφο πράγμα”, αναφέρει ο Rajapakse. “Όταν αποκτήσουμε μια σαφή μαθηματική κατανόηση, θα μπορέσουμε να δημιουργήσουμε υπολογιστικά μοντέλα και να διερευνήσουμε περαιτέρω την ομορφιά μας, μέσω των μαθηματικών”.

 

Πηγές

Μοιραστείτε το άρθρο

The following two tabs change content below.
Γιώτα Ζώτου

Γιώτα Ζώτου

Είμαι απόφοιτος του Τμήματος Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Κρήτης και κάθε προσπάθεια για περαιτέρω βελτίωση, που έχει σαν στόχο την διευκόλυνση της καθημερινότητας του ανθρώπου άπτεται των ενδιαφερόντων μου. Μέσα από αυτό το site λοιπόν θα μοιραζόμαστε ερευνητικά δεδομένα και εξελίξεις που αφορούν στις επιστήμες και την τεχνολογία, τα οποία έμμεσα ή άμεσα μας αφορούν και αξίζει να γνωρίζουμε.

Αφήστε ένα σχόλιο

Επιλογές της ομάδας
σκίτσο του Άλμπερτ Αϊνστάιν
Πώς τα μυστικά των πρώτων αριθμών κάνουν τον κόσμο μας ασφαλέστερο
Πώς ο Ερατοσθένης υπολόγισε την περιφέρεια της Γης πάνω από 2000 χρόνια πριν;
Τι θα γινόταν αν ο αυτισμός ήταν ... υπερδύναμη;
Εκπληκτικές φωτογραφίες του Cassini λίγο πριν τη συντριβή του στον Κρόνο