מדענים פיתחו דרך חדשה לחקור הזדקנות באמצעות מתמטיקה

חוקרים פיתחו כלים מתמטיים כדי לכמת באיזו מהירות מתכלים חלבוני תאים, ומציעים תובנות חדשות לגבי הזדקנות ומחלות. המחקר שלהם מחלק חלבונים לשלוש קבוצות של קצב פירוק וחוקר את ההשלכות על התפתחות השרירים, הרעבה ומחלות ניווניות. שיטה זו מקדמת את ההבנה שלנו לגבי תהליכים סלולריים.

שיטות מתמטיות חדשות המראות את קצב הפירוק של חלבוני התא יכולות להציע תובנות עמוקות יותר לגבי תהליך ההזדקנות, כך עולה ממחקר שנערך לאחרונה על ידי חוקר ממדינת מיסיסיפי לצד עמיתים מבית הספר לרפואה של הרווארד ומאוניברסיטת קיימברידג'.

גאלן קולינס, עוזר פרופסור במחלקה לביוכימיה, ביולוגיה מולקולרית, אנטומולוגיה ופתולוגיה של צמחים של MSU, היה שותף לכתיבת המאמר פורץ הדרך שפורסם ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעיםבאפריל.

"אנחנו כבר מבינים באיזו מהירות נוצרים חלבונים, מה שיכול לקרות תוך דקות ספורות", אמר קולינס, שהוא גם מדען בתחנת הניסויים החקלאיים והיערות של מיסיסיפי. "עד עכשיו, הייתה לנו הבנה גרועה מאוד כמה זמן לוקח להם להתקלקל."

המאמר במתמטיקה יישומית מציג את הכלים החדשים שמכמתים את שיעורי הפירוק של חלבוני התא – באיזו מהירות הם מתפרקים – עוזרים לנו להבין כיצד תאים גדלים ומתים וכיצד אנו מזדקנים. חלבונים-מולקולות מורכבות העשויות משילובים שונים של חומצות אמינו– לשאת את עיקר עומס העבודה בתוך התא, לספק את המבנה שלו, להגיב להודעות מחוץ לתא ולפנות פסולת.

ממצאים חדשים על שיעורי פירוק חלבון

התוצאות הוכיחו שלא כל החלבונים מתכלים באותו קצב אלא מתחלקים לאחת משלוש קטגוריות, ומתפרקות במהלך דקות, שעות או ימים. בעוד מחקר קודם בחן את פירוק חלבון התא, מחקר זה היה הראשון לכמת מתמטית את שיעורי הפירוק של כל מולקולות חלבון התא, באמצעות טכניקה הנקראת אנטרופיה מקסימלית.

"עבור סוגים מסוימים של שאלות מדעיות, ניסויים יכולים לעתים קרובות לחשוף אינסוף תשובות אפשריות; עם זאת, לא כולם סבירים באותה מידה", אמר הסופר הראשי אלכסנדר דייר, עמית מחקר במתמטיקה שימושית באוניברסיטת הרווארד. "עקרון האנטרופיה המקסימלית הוא חוק מתמטי שמראה לנו כיצד לחשב במדויק את הסבירות של כל תשובה – ה'אנטרופיה' שלה – כדי שנוכל לבחור את הסבירות ביותר."

"סוג זה של מתמטיקה הוא כמו מצלמה שמתקרבת ללוחית הרישוי שלך מרחוק ומגלה מה המספרים צריכים להיות", אמר קולינס. "אנטרופיה מרבית נותנת לנו תמונה ברורה ומדויקת של האופן שבו פירוק חלבון מתרחש בתאים."

השלכות של פירוק חלבון

בנוסף, הצוות השתמש בכלים אלה כדי לחקור כמה השלכות ספציפיות של פירוק חלבון על בני אדם ובעלי חיים. ראשית, הם בחנו כיצד שיעורים אלה משתנים ככל שהשרירים מתפתחים ומסתגלים לרעב.

"מצאנו שלרעב הייתה ההשפעה הגדולה ביותר על קבוצת החלבונים הבינונית בתאי השריר, שיש להם זמן מחצית חיים של כמה שעות, מה שגורם לפירוק להזיז ולהאיץ", אמר קולינס. "לגילוי זה עשויות להיות השלכות על חולי סרטן שחווים קצ'קסיה, או דלדול שרירים עקב המחלה והטיפולים בה."

הם גם חקרו כיצד שינוי בפירוק של חלבוני תאים מסוימים תורם למחלות נוירודגנרטיביות.

"מחלות אלו מתרחשות כאשר חלבוני פסולת, שבדרך כלל מתפרקים במהירות, חיים יותר ממה שהם צריכים", אמר קולינס. "המוח הופך כמו חדר שינה של מתבגר, צובר אשפה, וכשאתה לא מנקה אותו, הוא הופך לבלתי ראוי למגורים."

Dear אישר כי ערכו של המחקר טמון לא רק במה שהוא חשף על ניוון חלבון התא, אלא גם במתן שיטה חדשה למדענים לחקור את פעילות התא בדייקנות.

"העבודה שלנו מספקת שיטה ניסיונית חדשה וחזקה לכימות חילוף החומרים של חלבון בתאים", אמר. "הפשטות והמהירות שלו הופכות אותו למתאים במיוחד לחקר שינויים מטבוליים."

היועץ הפוסט-דוקטורט של קולינס בהרווארד ושותף למחבר המאמר, אלפרד גולדברג המנוח, היה חלוץ בחקר החיים והמוות של חלבונים. קולינס ציין שהמחקר הזה נבנה על כמעט חמישה עשורים של מחקרו של גולדברג ושיתוף הפעולה שלו בסוף הקריירה עם מתמטיקאים מאוניברסיטת קיימברידג'. לאחר שהגיע ל-MSU לפני שנה, קולינס המשיך לשתף פעולה עם עמיתיו כדי להשלים את המאמר.

"זה כבוד מדהים להתפרסם בו PNAS, אבל זה היה גם מאוד כיף להיות חלק מהצוות הזה", אמר קולינס. "וזה מאוד משמעותי לראות את מכלול העבודות של המנטור לשעבר שלי סגור ומפורסם."

המחקר מומן על ידי המכון הלאומי למדעי הרפואה הכללית, The Cure אלצהיימר הקרן, מלגת Lindemann Trust, האיגוד דובר האנגלית, הסטודנטים של קרן ג'ורג' וליליאן שיף, מלגת EMBO לטווח קצר ומלגת המחקר הצעירה של מכללת סידני סאסקס בקיימברידג'.