Matematyk, który stał się biologiem Inspire article

Tłumaczenie Katarzyna Badura. Theodore Alexandrov wykorzystuje wiedzę, którą posiadł pracując w ekonomii i stosuje ją do substancji chemicznych na naszej skórze.

Zapewne nie spodziewałbyś się, że biologia twojego ciała ma wiele wspólnego z pracą twojej karty kredytowej lub światowym systemem bankowym – Theodore Alexandrow, początkowo, również o tym nie pomyślał. Jednak obecnie Theodore wykorzystuje matematyczne algorytmy opisujące ekonomię do analizy informacji dotyczących niezliczonych cząsteczek produkowanych przez nasze komórki.

Theodore i jego zespół opracowują nową technologię, która mapuje w trójwymiarowej (3D) przestrzeni miejsca, w których te cząsteczki są we wzajemnej relacji. Ta praca prowadzi do nowego przestrzennego zrozumienia procesów biologicznych, takich jak metabolizm naszych komórek czy interakcja między mikrobami w środowisku, jak również oferuje wgląd w ewentualność, że coś się w nich nie uda. „Jeśli naprawdę chcemy zrozumieć jak te wszystkie procesy zachodzą, to musimy widzieć gdzie te wszystkie cząsteczki się znajdują” mówi Theodore.

Metabolomics
Naukowcy opracowują bardziej dokładny obraz środowiska molekularnego powierzchni naszej skóry
Zdjęcie dzięki uprzejmości Thedore Alexandrov’a

Dziedzina, w której zespół Theodore’a się porusza to metabolomika: nauka o biochemicznych odciskach palców, generowanych przez reakcje w naszych komórkach. Metabolom człowieka jest wysoce złożony i dynamiczny: niewinne wypicie kubka kawy czy zjedzenie na przykład kanapki w ułamku sekundy zmienia radykalnie zawartość mieszaniny substancji produkowanych przez nasze komórki. Różne typy komórek i tkanek mają różne metabolomy, które mogą się zmieniać w wyniku chorób czy zmian środowiskowych. Naukowcy bardzo chcą zrozumieć te wariacje, by zyskać nowe spojrzenie na normalnie i anormalne procesy zachodzące w naszych organizmach.

Molekularne mapy

Aby zidentyfikować cząsteczki w próbce naukowcy zazwyczaj wykorzystują metodę znaną jako spektrometria masowa, w skrócie określaną mianem mass spec. Technika ta polega na jonizowaniu cząsteczek i „ważeniu” każdej z nich z wykorzystaniem pola elektrycznego i magnetycznego. Maszyna generuje wzory znane jako widma, które naukowcy mogą zinterpretować. Jednak niektóre cząsteczki wykazują bardzo niewielkie różnice w budowie, co powoduje, że widmo próbki zawierającej wiele substancji jest dla naukowców niezwykle trudne do zinterpretowania.

Nowe odkrycia na tym polu dostarczają naukowcom coraz więcej informacji do przyswojenia. Na przykład badania mass spec nie tylko identyfikują cząsteczki, ale również określają ich położenie w przestrzeni. Naukowcy mogą umieścić cienki fragment guza lub kultury komórek na szkiełku mikroskopowym i wykorzystać laser do systematycznej waporyzacji krok po kroku znajdujących się w próbce cząsteczek. Następnie mogą odnieść znalezione cząsteczki do punktów w przestrzeni próbki, z których te cząsteczki zostały wyłapane. Połączenie informacji dotyczącej lokalizacji danej cząsteczki z danymi uzyskanymi z widma generuje potężne oprogramowanie – oprogramowanie, które Theodore mógł ulepszyć dzięki posiadanej przez siebie wiedzy.

Matematyka w spektrometrii masowej

Theodore Alexandrov
Theodore Alexandrov
Zdjęcie dzięki uprzejmości
EMBL Photolab / Marietta
Schupp

Uzyskując tytuł doktora z matematyki i statystyki w rodzinnym mieście Sankt Petersburg w Rosji, Theodore rozpoczął habilitację w Bremen w Niemczech przewidując transakcje bankowe wraz z upływem czasu dla jednej z instytucji wydających karty kredytowe. W pewnym momencie jeden z kolegów zasugerował, że wiedzę Theodore’a w opracowywaniu algorytmów badających zależność zmian zachodzących w jakiejś materii od czasu można by zastosować również z dynamicznie rozwijającym się obszarze spektrometrii masowej. „Dla mnie to idealna tematyka” mówi Theodore. “Pracujemy z gigabajtami, a nawet terabajtami danych i moja wiedza matematyczna jest naprawdę pomocna.”

W 2012 roku, razem z Peterem Dorresteinem z Uniwersytetu Kalifornijskiego (University of California, San Diego, USA) Theodore wpadł na pomysł opracowania mapy metabolitów na ludzkiej skórze. Bardzo szybko w pomysł ten zaangażowało się więcej osób z międzynarodowego środowiska po to, by opracować mapę metabolitów i mikrobów na skórze. Łącząc widma spektrometrii masowej z informacjami obrazowymi, zespół był w stanie opracować trójwymiarową mapę cząsteczek przylegających do skóry dwóch ochotników. Co więcej, powiązali powstałą mapę z informacjami dotyczącymi występowania różnych gatunków mikrobów. „To co czyni nasze podejście niepowtarzalnym to każdorazowa próba uwzględnienia informacji przestrzennych w naszej analizie”

Cząsteczki i mikroby

Dzięki tej przestrzennej analizie naukowcy mają teraz lepszy obraz środowiska molekularnego powierzchni naszej skóry. Mają również dobry punkt wyjścia do tego, by lepiej zrozumieć jak to środowisko może wpłynąć na relacje skóry z rezydującymi na niej mikrobami. Interakcja naszych komórek z bilionami mikrobów, które zamieszkują nasz organizm stanowi źródło wielkiego zainteresowania ze strony naukowców, ponieważ dowody wskazują na to, że mikroby te mają znaczący wpływ na nasze zdrowie (aby dowiedzieć się więcej o mikrobiologicznych koloniach w naszych ustach zobacz Viosca, 2015).

Przeniesienie spektrometrii masowej w trzeci wymiar zapewnia rewolucję w wielu dziedzinach badań. „Obecnie wykorzystujemy ją w klinikach, badaniach biomedycznych i farmacji” tłumaczy Theodore. Jednym z kluczowych przykładów są badania nad rakiem. Poszczególne nowotwory zawierają w sobie komórki, które się od siebie różnią. Dlatego zrozumienie tych różnic jest niezwykle istotne jeśli chcemy się dowiedzieć więcej o tym jak się choroba rozwija i postępuje. „Jedna komórka może wszystko zmienić” mówi Theodore. “Teraz możemy zaobserwować molekularne różnice międzykomórkowe.”

Wspólne zwycięstwo

Od momentu przyłączenia się do Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL)w1 w listopadzie 2014 roku, Theodore i jego zespół pracują nad dwoma projektami technologicznymi. Pierwszy jest kontynuacją jego współpracy z zespołem Dorrestein’a i dotyczy opracowania bioinformatycznych narzędzi do mapowania przestrzennego rozmieszczania się cząsteczek w środowisku. Drugi projekt dotyczy opracowania nowych algorytmów oraz infrastruktury sprzętowej, która umożliwi użytkownikom identyfikację większej ilości cząsteczek w badanych próbkach. W chwili obecnej, fakt, że jedna cząsteczka może generować setki różnych sygnałów w badaniach spektrometrycznych powoduje, że naukowcy mogą zinterpretować tylko małą część widma, które otrzymują. „Mam wrażenie, że jedynie ślizgamy się po powierzchni:  nie otrzymujemy pełnych migawek molekularnych” mówi Theodore. Te badania tworzą podstawę europejskiego projektu, który Theodore współkoordynuje, zrzeszając ośmiu partnerów ze świata akademickiego i przemysłu. „Wszyscy zainteresowani są tym, aby ostateczne dzieło było efektem wzajemnej współpracy” wyjaśnia.

Pomimo tego, że jego zespół zmaga się z wyzwaniem wprowadzenia spektrometrii masowej w trzeci wymiar, Theodore myśli już o czwartym wymiarze. Możliwość monitorowania metabolomów w czasie i przestrzeni pozwoli naukowcom na śledzenie biologicznych procesów na żywo. „To bardzo początkowe stadium prac i chcielibyśmy dopracować nasze rozwiązanie, by w pełni zrozumieć złożoność procesów” mówi. „Natomiast już teraz możemy obserwować jak metabolomy zmieniają się na przestrzeni czasu.”

EMBL

EMBL logo

Europejskie Laboratorium Biologii Molekularnej (The European Molecular Biology Laboratory  – EMBL)w1 jest jedną z największych na świecie instytucji zajmujących się podstawowymi badaniami w dziedzinie nauk przyrodniczych. EMBL jest międzynarodowe, innowacyjne i interdyscyplinarne. Jego pracownicy, z ponad 60 narodowości, posiadający wiedzę z dziecin biologii, fizyki, chemii i informatyki, współpracują prowadząc badania obejmujące szeroki zakres biologii molekularnej.

EMBL jest członkiem EIROforumw2, wydawcy Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – więcej informacji na temat EMBL znajdziesz na stronie: www.embl.org.
  • w2 – EIROforum jest wynikiem współpracy ośmiu największych europejskich międzyrządowych organizacji badawczych, które łączą swoje zasoby, możliwości oraz wiedzę by wspierać europejską naukę w osiągnięciu pełnego potencjału. W ramach działań edukacyjnych oraz informacyjnych EIROforum publikuje w Science in School.

Institution

EMBL

Author(s)

Claire Ainsworth jest niezależnym dziennikarzem naukowym działającym w Hampshire, Wielka Brytania. Zazwyczaj pisze o genetyce i biomedycynie, jednak udało jej się raz spotkać smoka. Prawdziwego smoka. Znajdź ją na Twitter: @ClaireAinsworth




License

CC-BY-NC-ND