Matematyka odkrywa, w jaki sposób regulowana jest wielkość składników komórkowych

Sebastian Persson wykorzystuje modele matematyczne jako uzupełnienie eksperymentów w swoich badaniach nad systemami biologicznymi rozprawę doktorską. Opracował także oprogramowanie umożliwiające wydajniejszą pracę z modelami dynamicznymi.

Systemy biologiczne komórek są złożone i wiele różnych komponentów wpływa na ich zachowanie. Trudno jest zrozumieć na podstawie samych eksperymentów, w jaki sposób te systemy są regulowane, ale za pomocą narzędzi matematycznych możliwe jest zbudowanie modeli analizujących działanie systemów komórkowych.

Persson współpracował z eksperymentatorami w Niemczech i wspólnie badali, w jaki sposób składniki komórkowe regulują ich wielkość, i opracowali dobry opis, który pasuje do danych eksperymentalnych.

„Regulacja wielkości składników komórkowych zachodzi w większości komórek, a jeśli proces ten nie przebiega zgodnie z planem, wzrasta ryzyko kilku chorób i przedwczesnego starzenia się. Chcieliśmy zrozumieć różne strategie stosowane przez komórki do regulacji wielkości struktur komórkowych oraz potrzebne było modelowanie, ponieważ bardzo trudno jest uzasadnić te procesy. Ostatecznym celem jest umożliwienie opracowywania leków w oparciu o wiedzę na temat regulacji wielkości.

Nowe oprogramowanie do obsługi różnych rodzajów modeli

Aby móc symulować biologiczne modele dynamiczne, potrzebne są komputery. Ponieważ każdy zbudowany model jest hipotezą, a początkowe hipotezy są zwykle błędne, istnieje potrzeba pracy i symulacji wielu różnych modeli. Zatem im szybciej sprawdzisz, czy model działa, tym szybciej będziesz mógł przeprowadzić badania. Aby ułatwić pracę z modelami dynamicznymi, Sebastian opracował nowe oprogramowanie. Kryteria były takie, że powinien być szybki i elastyczny.

Elastyczność jest ważna, aby móc odkrywać nowe obszary badawcze. Na przykład obecnie stosuje się modele mechaniczne lub modele oparte na danych i oba mają swoje zalety i wady. Pomysł z oprogramowaniem Perssona polega na tym, że powinna istnieć możliwość łączenia obu rodzajów modeli w tym samym systemie, aby zrekompensować niedociągnięcia w każdym podejściu.

Oprogramowanie PEtab.jl i SBMLImporter.jl jest publikowane jako oprogramowanie typu open source od wiosny 2023 r. i jest coraz częściej wykorzystywane zarówno przez środowisko akademickie, jak i przemysł, a także jest stale rozwijane.

Badania — frustrujące i satysfakcjonujące

Persson zawsze lubił matematykę, ale chciał zobaczyć jej zastosowanie, dlatego studiował inżynierię lądową ze szczególnym uwzględnieniem biotechnologii. Już na studiach licencjackich zdał sobie sprawę, że eksperymenty to nie jego bajka i napisał pracę licencjacką w grupie biologii systemów Mariji Cvijovic. Tam rozpoczął studia doktoranckie tydzień po obronie pracy magisterskiej.

Posiadanie przy sobie zarówno matematyki, jak i biologii było bardzo przydatne, ponieważ mógł komunikować się z eksperymentatorami i rozumieć literaturę dotyczącą systemów, które bada.

„Ogólnie rzecz biorąc, pisanie doktoratu było świetną zabawą, ale też bardzo wyczerpujące. Szkoła jest tak dobrze zdefiniowana, że ​​badam zupełnie coś innego, a kiedy zaczynałem, nie zastanawiałem się zbytnio nad tym, jak trudne może to być, gdy nie ma gotowych odpowiedzi. Wiele razy musisz ponieść porażkę, aby zdać sobie sprawę, co nie działa, a to może być frustrujące, ale także bardzo satysfakcjonujące, gdy się udaje, i dokonujesz nowych odkryć.

Teraz czeka go bardzo potrzebna przerwa, zanim Persson przeniesie się w marcu do Londynu na czteroletnie stanowisko podoktorskie w The Francis Crick Institute, centrum badań biomedycznych. Tam będzie badał modele hybrydowe precyzyjnie mechanistycznych i opartych na danych modeli, aby zbadać cykl komórkowy i spróbować zrozumieć, w jaki sposób jest on regulowany przez otaczające środowisko komórkowe. Są to w dalszym ciągu podstawowe badania z zakresu biologii systemów, których celem jest opracowanie w przyszłości lepszych metod leczenia.