Matematika ovládá biologii. Jsme stále blíže k odhalení největšího tajemství života

Jak vznikne z jedné buňky celý složitý organismus? Biologie je řízena matematikou a vědci teprve začínají rozumět jejímu složitému jazyku, jak píše server Cell.

Všichni začínáme oplozenou vaječnou buňkou. Z nich se prostřednictvím procesů dělení, diferenciace a odumírání vytváří lidská bytost, která se skládá v průměru z 10 bilionů buněk stovek nebo tisíců typů. Tato biologická cesta se řídí fyzikálními zákony, a proto ji lze vysvětlit jazykem matematiky. Vědci z Melbournské univerzity se dozvěděli jeho klíčová slova.

Teorie katastrof

Conrad Hal Waddington v 50. letech 20. století popsal vývoj buňky jako kuličku valící se po kopcovité krajině. Údolí odpovídají buňkám, které se stávají typy – kůže, kosti, nervové buňky – a kopce, které dělí údolí, odpovídají zlomovým bodům ve vývojovém procesu, kdy se rozhoduje o osudu buňky.

U člověka může buněčnou dynamiku ovlivňovat přibližně 22 000 genů a jejich produktů. Pro srovnání, u bakterií je počet genů mnohem menší, at to Escherichia coli má přibližně 4 500 genů, které ovlivňují reakce buňky na prostředí.

Waddingtonova krajina je víc než jen metafora. Může být propojen s matematickými popisy. Dna údolí ztotožňujeme se stabilními stavy. Je ponechána sama sobě, kulička (nebo nediferencovaná buňka) na dně údolí tam zůstane navždy. Pokud je však mramor umístěn na kopci, i malé narušení způsobí, že se kutálí ze svahu do určitého údolí. Matematici v 70. letech 20. století použili koncept údolí a vytvořili odvětví matematiky s příznačným názvem teorie katastrof.

Nyní jsme schopni měřit genovou expresi v jednotlivých buňkách, takže můžeme vidět, že vnitřní molekulární procesy jsou jako buňky procházející kopcovitou krajinou. Vědci jsou schopni matematicky popsat chování buněk způsobem, který se donedávna zdál nemožný.

Výše zmíněný molekulární šum může pohybovat údolími a kopci – může dokonce nechat údolí zmizet nebo vytvořit nová údolí a kopce změnou směru, přidáním nebo odebráním potenciálních cílů metaforického mramoru. Přeložíme-li to zpět do jazyka biologie, znamená to, že typy buněk, které mohou existovat v systémech bez šumu (nebo s nízkou úrovní šumu) a mohou zmizet, jakmile šum ovlivní systém a naopak.

Australským vědcům se podařilo vytvořit matematický model pouze jedné buňky z přibližně 100 milionů buněk, které tvoří bakterii Mycoplasma genitalium. Ještě je třeba udělat mnoho práce, protože cíl je ambiciózní.

Zdroj: cell.com