Hur fungerar "hjärnan" i en levande cell, låta en organism fungera och frodas i föränderliga och ogynnsamma miljöer?

Queensland University of Technology (QUT) forskare Dr. Robyn Araujo har utvecklat ny matematik för att lösa ett långvarigt mysterium om hur de otroligt komplexa biologiska nätverken i celler kan anpassa sig och återställa sig själva efter exponering för en ny stimulans.

Hennes fynd, publiceras i Naturkommunikation , ge en ny nivå av förståelse för cellulär kommunikation och cellulär "kognition", och har potentiell tillämpning inom en mängd olika områden, inklusive nya riktade cancerterapier och läkemedelsresistens.

Dr Araujo, lektor i tillämpad och beräkningsmatematik vid QUT:s naturvetenskapliga fakultet, sa att även om vi vet mycket om gensekvenser, vi har haft extremt begränsad insikt i hur proteinerna som kodas av dessa gener fungerar tillsammans som ett integrerat nätverk – fram till nu.

"Proteiner bildar outgrundligt komplexa nätverk av kemiska reaktioner som tillåter celler att kommunicera och "tänka" - vilket i huvudsak ger cellen en "kognitiv" förmåga, eller en "hjärna", " sa hon. "Det har varit ett långvarigt mysterium inom vetenskapen hur denna cellulära "hjärna" fungerar.

"Vi kunde aldrig hoppas på att mäta hela komplexiteten hos cellulära nätverk - nätverken är helt enkelt för stora och sammankopplade och deras komponentproteiner är för varierande.

"Men matematik ger ett verktyg som låter oss utforska hur dessa nätverk kan konstrueras för att fungera som de gör.

"Min forskning ger oss ett nytt sätt att se på nätverkets komplexitet i naturen."

Dr Araujos arbete har fokuserat på den allmänt observerade funktionen som kallas perfekt anpassning – förmågan hos ett nätverk att återställa sig själv efter att det har blivit utsatt för en ny stimulans.

"Ett exempel på perfekt anpassning är vårt luktsinne, " sa hon. "När vi utsätts för en lukt kommer vi att lukta på den till en början men efter ett tag verkar det för oss som om lukten har försvunnit, även om kemikalien, stimulansen, är fortfarande närvarande.

"Vårt luktsinne har uppvisat perfekt anpassning. Denna process gör att det förblir känsligt för ytterligare förändringar i vår omgivning så att vi kan upptäcka både mycket finter och mycket starka lukter.

"Den här typen av anpassning är i huvudsak vad som sker inuti levande celler hela tiden. Celler utsätts för signaler - hormoner, tillväxtfaktorer, och andra kemikalier - och deras proteiner tenderar att reagera och reagera initialt, men sedan slå sig ner till aktivitetsnivåer före stimulansen trots att stimulansen fortfarande finns där.

"Jag studerade alla möjliga sätt som ett nätverk kan konstrueras på och fann att för att vara kapabel till denna perfekta anpassning på ett robust sätt, ett nätverk måste uppfylla en extremt stel uppsättning matematiska principer. Det finns ett förvånansvärt begränsat antal sätt ett nätverk kan konstrueras för att utföra perfekt anpassning.

"I huvudsak upptäcker vi nu nålarna i höstacken när det gäller de nätverkskonstruktioner som faktiskt kan finnas i naturen.

"Det är tidiga dagar, men detta öppnar dörren för att kunna modifiera cellnätverk med droger och göra det på ett mer robust och rigoröst sätt. Cancerterapi är ett potentiellt användningsområde, och insikter om hur proteiner fungerar på cellnivå är nyckeln."

Dr Araujo sa att den publicerade studien var resultatet av mer än "fem års obevekliga ansträngningar för att lösa detta otroligt djupa matematiska problem". Hon började forska inom detta område vid George Mason University i Virginia i USA.

Hennes mentor vid universitetets College of Science och medförfattare till Naturkommunikation papper, Professor Lance Liotta, sa att det "häpnadsväckande och överraskande" resultatet av Dr. Araujos studie är tillämpligt på alla levande organismer eller biokemiska nätverk av vilken storlek som helst.

"Studien är ett underbart exempel på hur matematik kan ha en djupgående inverkan på samhället och Dr. Araujos resultat kommer att ge en uppsättning helt nya tillvägagångssätt för forskare inom en mängd olika områden, " han sa.

"Till exempel, i strategier för att övervinna cancerläkemedelsresistens – varför anpassar sig tumörer ofta och växer tillbaka efter behandling?

"Det kan också hjälpa till att förstå hur vårt hormonsystem, vårt immunförsvar, perfekt anpassa sig till frekventa utmaningar och hålla oss friska, och det har framtida konsekvenser för att skapa nya hypoteser om drogberoende och signalanpassning av hjärnneuroner."