Вчені розробили спосіб вивчення старіння за допомогою математики

Дослідники розробили математичні інструменти для кількісного визначення того, як швидко клітинні білки розкладаються, пропонуючи нове розуміння старіння та хвороб. Їхнє дослідження класифікує білки на три групи швидкості деградації та досліджує наслідки для розвитку м’язів, голодування та нейродегенеративних захворювань. Цей метод покращує наше розуміння клітинних процесів.

Нові математичні методи, які показують швидкість деградації клітинних білків, можуть запропонувати глибше розуміння процесу старіння, згідно з нещодавнім дослідженням, співавторами якого були дослідник зі штату Міссісіпі разом із колегами з Гарвардської медичної школи та Кембриджського університету.

Гален Коллінз, доцент кафедри біохімії, молекулярної біології, ентомології та патології рослин МДУ, став співавтором новаторської статті, опублікованої в Proceedings of the National Academy of Sciences у квітні.

«Ми вже розуміємо, як швидко утворюються білки, що може відбутися за лічені хвилини», — сказав Коллінз, який також є вченим на Експериментальній станції сільського господарства та лісництва Міссісіпі. «До цього моменту ми дуже погано розуміли, скільки часу потрібно, щоб вони вийшли з ладу».

Стаття з прикладної математики представляє нові інструменти, які кількісно визначають швидкість деградації клітинних білків — як швидко вони руйнуються — допомагаючи нам зрозуміти, як клітини ростуть і вмирають і як ми старіємо. Білки — складні молекули, виготовлені з різних комбінацій амінокислот — несуть основну частину робочого навантаження всередині клітини, забезпечуючи її структуру, реагуючи на повідомлення ззовні клітини та видаляючи відходи.

Нові відкриття щодо швидкості деградації білка

Результати довели, що не всі білки розкладаються з однаковою швидкістю, а натомість належать до однієї з трьох категорій, руйнуючись протягом хвилин, годин або днів. У той час як попередні дослідження вивчали розпад клітинного білка, це дослідження було першим, у якому було кількісно визначено швидкість деградації всіх молекул клітинного білка за допомогою техніки, яка називається максимальною ентропією.

«Для певних типів наукових питань експерименти часто можуть виявити нескінченно багато можливих відповідей; однак не всі вони однаково правдоподібні», — сказав провідний автор Олександр Дір, науковий співробітник прикладної математики Гарвардського університету. «Принцип максимальної ентропії — це математичний закон, який показує нам, як точно обчислити правдоподібність кожної відповіді — її «ентропію» — щоб ми могли вибрати ту, яка є найбільш імовірною».

«Ця математика схожа на камеру, яка здалеку наближає ваш номерний знак і визначає, якими мають бути цифри», — сказав Коллінз. «Максимальна ентропія дає нам чітку і точну картину того, як відбувається деградація білка в клітинах».

Наслідки деградації білка

Крім того, команда використовувала ці інструменти для вивчення деяких конкретних наслідків деградації білка для людей і тварин. По-перше, вони досліджували, як ці показники змінюються, коли м’язи розвиваються та адаптуються до голодування.

«Ми виявили, що голодування має найбільший вплив на проміжну групу білків у м’язових клітинах, період напіврозпаду яких становить кілька годин, що призводить до зміщення та прискорення розпаду», — сказав Коллінз. «Це відкриття може мати наслідки для хворих на рак, які відчувають кахексію або втрату м’язів через хворобу та її лікування».

Вони також дослідили, як зміна розпаду певних клітинних білків сприяє нейродегенеративним захворюванням.

«Ці захворювання виникають, коли відпрацьовані білки, які зазвичай швидко руйнуються, живуть довше, ніж повинні», — сказав Коллінз. «Мозок стає схожим на спальню підлітка, накопичує сміття, і коли ви його не прибираєте, він стає непридатним для життя».

Дір підтвердив, що цінність дослідження полягає не тільки в тому, що воно виявило про дегенерацію клітинного білка, але й у тому, що вчені отримали новий метод для точного дослідження активності клітин.

«Наша робота забезпечує новий потужний експериментальний метод для кількісного визначення білкового метаболізму в клітинах», — сказав він. «Його простота і швидкість роблять його особливо придатним для вивчення метаболічних змін».

Докторський радник Коллінза в Гарварді та співавтор статті, покійний Альфред Голдберг, був піонером у вивченні життя та смерті білків. Коллінз зазначив, що це дослідження було засноване на майже п’яти десятиліттях досліджень Голдберга та його співпраці з математиками з Кембриджського університету наприкінці кар’єри. Прийшовши до МДУ рік тому, Коллінз продовжив співпрацю зі своїми колегами, щоб завершити роботу.

«Це неймовірна честь бути опублікованою в PNAS, але також було дуже весело бути частиною цієї команди», — сказав Коллінз. «І це дуже важливо бачити роботу мого колишнього наставника завершеною та опублікованою».