Kredit:Shutterstock
Vi utgår alla från en enda cell, det befruktade ägget. Från denna cell, genom en process som involverar celldelning, celldifferentiering och celldöd, tar en människa form, som slutligen består av över 37 biljoner celler över hundratals eller tusentals olika celltyper.
Även om vi i stort sett förstår många aspekter av denna utvecklingsprocess, känner vi inte till många av detaljerna.
En bättre förståelse för hur ett befruktat ägg förvandlas till biljoner celler för att bilda en människa är i första hand en matematisk utmaning. Det vi behöver är matematiska modeller som kan förutsäga och visa vad som händer.
Problemet är att vi inte har någon – än.
Inom teknik är matematisk och datormodellering nu avgörande – ett flygplan testas i datorsimuleringar långt innan den första prototypen ens byggs. Men bioteknik är fortfarande till stor del beroende av en kombination av försök och misstag – och serendipity – för att komma med nya behandlingar och terapier.
Så, denna brist på matematiska modeller är en stor flaskhals för bioteknik. Men den nystartade disciplinen syntetisk biologi, där en matematisk modell skulle vara extremt användbar för att förstå den potentiella effektiviteten av nya konstruktioner, är avgörande – oavsett om det gäller droger, enheter eller syntetiska vävnader.
Det är därför matematiska modeller av celler, särskilt av hela celler, allmänt betraktas som en av detta århundrades stora vetenskapliga utmaningar.
Men gör vi framsteg? Det korta svaret är ja, men ibland måste vi titta bakåt för att gå framåt.
På 1950-talet beskrev den brittiske biologen och matematikern Conrad Hal Waddington cellutveckling som en marmor som rullar nerför ett kuperat landskap. Dalarna motsvarar celler som blir typer – hud, ben, nervceller – och kullarna som delar dalarna motsvarar tillfällen i utvecklingsprocessen, där en cells öde väljs.
När marmorn kommer att vila i botten av dalen har den blivit en specialiserad cell med en definierad funktion.
"Val" här är en vag term och syftar på den mångfald av intracellulära molekylära processer som ligger till grund för cellulär funktion och beteende.
Hos människor kan cirka 22 000 gener och deras produkter påverka celldynamiken. I jämförelse, i bakterier är antalet gener mycket mindre – Escherichia coli, den viktigaste bakteriemodellorganismen, har cirka 4 500 gener som påverkar hur denna cell reagerar på miljön.
Landskapet av kullar och dalar som beskrivs av Waddington försöker sammanfatta och förenkla den samordnade verkan av dessa tusentals gener, som påverkar formen, ojämnheten, antalet dalar och kullar och andra aspekter av landskapet.
Nu visar det sig att Waddingtons landskap är mer än bara en metafor. Den kan kopplas till matematiska beskrivningar.
Vi identifierar dalbottnarna med stabila tillstånd:lämnad åt sig själv kommer marmorn (eller odifferentierad cell) som ligger vid dalbottnen att stanna där för alltid. Men om marmorn står på en kulle, kommer även en liten störning att leda till att den rinner nerför sluttningen in i en viss dal.
Matematiker på 1970-talet tog dalkonceptet och utvecklade en gren av matematiken, med det suggestiva namnet "katastrof teori."
Denna teori överväger hur mycket befruktade matematiska "landskap" kan förändras, och varje kvalitativ förändring kallas en "katastrof", eller på mindre känslomässigt språk en "singularitet."
Femtio år senare har matematiker och beräkningsforskare återupptäckt dessa landskapsmodeller i helt nya tillämpningar.
Eftersom vi nu kan mäta genuttryck (eller aktivering) i enstaka celler, kan vi se att de interna molekylära processerna är som celler som korsar ett kuperat landskap.
Så vi kan nu koppla ihop landskapsmodellen med experimentella data på ett sätt som Waddington bara kunde drömma om.
Att koppla geners aktivitet till landskapsmodellen har blivit ett aktivt och spännande forskningsområde. Vi hoppas kunna använda detta för att förstå hur celler rör sig över detta landskap, från en enda befruktad äggcell till tusentals helt differentierade celltyper hos en vuxen människa.
Ett problem som har fått lite uppmärksamhet är hur slumpmässigheten (eller bruset) hos molekylära processer inuti celler påverkar landskapet och dynamiken hos celler i landskapet.
Detta är kärnan i vår senaste forskning publicerad i Cell Systems , där vi utforskar hur detta molekylära brus på djupet kan påverka dynamiken. Vårt forskarteam, med stöd av ett ARC Australian Laureate Fellowship, syftar till att utveckla ett tillvägagångssätt som införlivar slumpmässighet i ett system som kan styra och forma landskapet.
I landskapsterminologi kan molekylärt brus flytta dalar och kullar – det kan till och med få dalar att försvinna eller bilda nya dalar och kullar, ändra riktning samtidigt som man lägger till eller tar bort potentiella destinationer för vår metaforiska marmor.
Om vi översätter detta tillbaka till biologins språk betyder det att celltyper som kan existera i brusfria (eller lågbrusiga) system kan försvinna när brus påverkar systemet, och vice versa.
Buller spelar roll.
Det är inte bara en olägenhet eller olägenhet - buller påverkar de typer av celler som kan finnas i en organism. Förhoppningen är att vi kan använda den växande mängden encellig molekylär data och koppla detta med matematiska modeller som tar hänsyn till både den invecklade dynamiken i genreglering och cellulära processer, såväl som effekterna av brus.
Vårt yttersta mål är att utveckla en komplett matematisk modell av biologiska celler.
Hittills har vi en matematisk modell för bara en celltyp (av cirka 100 miljoner), den lilla bakterien Mycoplasma genitalium, som gör att vi kan studera och göra testbara förutsägelser om dess beteende.
Detta förändras nu genom arbetet av matematiska och beräkningsbiologer.
Vår forskargrupp samarbetar med forskare runt om i världen för att ta itu med det komplexa, men vi tror att målet är att modellera vilken celltyp som helst, inklusive mångfalden av mänskliga celler.
En av de viktigaste insikterna som ger oss detta förtroende är att biologin använder och återanvänder mycket liknande molekylära mekanismer över hela livets träd.
Vår härkomst från en gemensam förfader är en av de grundläggande principerna inom biologi, och vi kan utnyttja detta för att göra vårt arbete enklare:när vi väl har en modell för en organism kommer nästa att vara lättare att modellera, och så vidare.
De evolutionära relationerna mellan arter gör att vi kan låna insikter från andra arter. Och i en flercellig organism, där alla celler härrör från ett enda befruktat ägg, kan vi låna insikter från andra celltyper när vi fyller i luckorna i våra organismmodeller. + Utforska vidare
