Comment fonctionne le "cerveau" d'une cellule vivante, permettre à un organisme de fonctionner et de prospérer dans des environnements changeants et défavorables ?

Le Dr Robyn Araujo, chercheur à l'Université de technologie du Queensland (QUT), a développé de nouvelles mathématiques pour résoudre un mystère de longue date sur la façon dont les réseaux biologiques incroyablement complexes au sein des cellules peuvent s'adapter et se réinitialiser après une exposition à un nouveau stimulus.

Ses découvertes, Publié dans Communication Nature , fournir un nouveau niveau de compréhension de la communication cellulaire et de la « cognition » cellulaire, et ont une application potentielle dans une variété de domaines, y compris les nouvelles thérapies ciblées contre le cancer et la résistance aux médicaments.

Dr Araujo, maître de conférences en mathématiques appliquées et computationnelles à la Faculté des sciences et de l'ingénierie de QUT, dit que même si nous en savons beaucoup sur les séquences de gènes, nous avons eu une connaissance extrêmement limitée de la façon dont les protéines codées par ces gènes fonctionnent ensemble en tant que réseau intégré, jusqu'à présent.

"Les protéines forment des réseaux incroyablement complexes de réactions chimiques qui permettent aux cellules de communiquer et de " penser " - donnant essentiellement à la cellule une capacité " cognitive ", ou un "cerveau", " a-t-elle dit. " C'est un mystère de longue date dans la science comment fonctionne ce " cerveau " cellulaire.

« Nous ne pourrions jamais espérer mesurer toute la complexité des réseaux cellulaires – les réseaux sont tout simplement trop grands et interconnectés et leurs protéines composantes sont trop variables.

"Mais les mathématiques fournissent un outil qui nous permet d'explorer comment ces réseaux pourraient être construits afin de fonctionner comme ils le font.

"Mes recherches nous donnent une nouvelle façon d'examiner la complexité des réseaux dans la nature."

Les travaux du Dr Araujo se sont concentrés sur la fonction largement observée appelée adaptation parfaite, c'est-à-dire la capacité d'un réseau à se réinitialiser après avoir été exposé à un nouveau stimulus.

"Un exemple d'adaptation parfaite est notre odorat, " dit-elle. " Lorsqu'on est exposé à une odeur nous la sentirons d'abord mais au bout d'un moment il nous semble que l'odeur a disparu, même si le produit chimique, le stimulus, est toujours présent.

« Notre odorat a fait preuve d'une parfaite adaptation. Ce processus lui permet de rester sensible aux changements ultérieurs de notre environnement afin que nous puissions détecter à la fois des odeurs très feintes et très fortes.

"Ce type d'adaptation est essentiellement ce qui se passe à l'intérieur des cellules vivantes tout le temps. Les cellules sont exposées à des signaux - hormones, facteurs de croissance, et d'autres produits chimiques - et leurs protéines auront tendance à réagir et à répondre initialement, mais ensuite s'installer à des niveaux d'activité pré-stimulus même si le stimulus est toujours là.

"J'ai étudié toutes les manières possibles de construire un réseau et j'ai trouvé que pour être capable de cette adaptation parfaite de manière robuste, un réseau doit satisfaire à un ensemble extrêmement rigide de principes mathématiques. Il existe un nombre étonnamment limité de façons dont un réseau pourrait être construit pour effectuer une adaptation parfaite.

"Essentiellement, nous découvrons maintenant les aiguilles dans la botte de foin en termes de constructions de réseaux qui peuvent réellement exister dans la nature.

"C'est le début, mais cela ouvre la porte à la possibilité de modifier les réseaux cellulaires avec des médicaments et de le faire de manière plus robuste et rigoureuse. La thérapie contre le cancer est un domaine d'application potentiel, et un aperçu du fonctionnement des protéines au niveau cellulaire est essentiel."

Le Dr Araujo a déclaré que l'étude publiée était le résultat de plus de "cinq années d'efforts incessants pour résoudre ce problème mathématique incroyablement profond". Elle a commencé des recherches dans ce domaine alors qu'elle était à l'Université George Mason en Virginie aux États-Unis.

Son mentor au College of Science de l'université et co-auteur du Communication Nature papier, Professeur Lance Liotta, a déclaré que le résultat "incroyable et surprenant" de l'étude du Dr Araujo est applicable à tout organisme vivant ou réseau biochimique de toute taille.

"L'étude est un merveilleux exemple de la façon dont les mathématiques peuvent avoir un impact profond sur la société et les résultats du Dr Araujo fourniront un ensemble d'approches complètement nouvelles pour les scientifiques dans une variété de domaines, " il a dit.

"Par exemple, dans les stratégies pour vaincre la résistance aux médicaments anticancéreux - pourquoi les tumeurs s'adaptent-elles et repoussent-elles fréquemment après le traitement ?

"Cela pourrait également aider à comprendre comment notre système hormonal, nos défenses immunitaires, s'adapter parfaitement aux défis fréquents et nous garder bien, et cela a des implications futures pour la création de nouvelles hypothèses sur la toxicomanie et l'adaptation de la signalisation des neurones du cerveau. »