У Китаї запустять трамваї на водневих паливних елементах (відео)
21 Березня , 2017
Tesla до 2018 року запланувала випустити маленький кросовер Model Y
21 Березня , 2017

Як математик допоміг біологам зробити важливе відкриття

Незважаючи на те, що математику часто називають фундаментальною наукою, вона, також, часто не отримує достатньої поваги, коли представляють наукові відкриття. Але внесок математики і статистики вкрай важливий в цілі галузі досліджень — багато відкриттів були б неможливі без неї. Далі — розповідь математика від першої особи.

Як математик, я зробив внесок у наукові відкриття і представив вирішення проблем, які намагались вирішити біологи. Сім років тому я відвідав лекцію на тему біологічних досліджень, які проводились в університеті Херіо-Ват. У моїх колег була невирішена проблема, пов’язана з рухом мішкоподібних структур,- везикул, які переміщують гормони і нейротрансмітери, такі як інсулін і серотонін, по клітинам тіла.

Їх проблема полягала в тому, що везикули, як відомо, слідують певним доріжках по скелету клітини, які ведуть до особливих молекул, які потім змушують везикул вивільнити свій вміст в клітину. Однак, коли самі біологи спробували знайти ці доріжки, їх не виявилось на очікуваних місцях.

Важливо розуміти, як ведуть себе (або не ведуть) везикули, тому що вони пов’язані з різними захворюваннями, від діабету до неврологічних розладів. Біологи не могли знайти спосіб розуміння цих везикул — але у мене було рішення в математичному інструментарії.

Математика краще біології?

Через два роки спільної роботи я сказав колегам: «Моя модель та комп’ютерні експерименти краще вашого мікроскопа!».

Під цією дуже гордою заявою я мав на увазі, що, використовуючи математику для моделювання переміщення молекул по клітині, ми можемо спрогнозувати і провести безліч експериментів на комп’ютері в менших масштабах і більш швидкому темпі, ніж під мікроскопом. Це дозволяє нам розкривати те, що не можуть дозволити ресурси біологів, і навіть вказати нам у напрямку цільових молекул для майбутнього лікування діабету і неврологічних розладів.

Математична модель дозволила нам зрозуміти, що рух везикул вимагає енергії — а математика моделює його на енергетичному ландшафті. Уявімо, що везикула — це велосипедист, що їде на велосипеді: ландшафт може мати рівні і нерівні ділянки, які вимагають більше енергії для їх подолання. Ми хотіли перевірити, чи дійсно везикули намагаються уникати цих пагорбів.

Після семи років спільної роботи з біологами ми з колегами довели, що наша гіпотеза вірна. Везикули дійсно йдуть з низькоенергетичними «долинами», уникаючи молекул, які створюють енергетичні пагорби на енергетичному ландшафті, обираючи найлегший шлях. І результат очікуваний для біологів: везикули дійсно виявляються в одній кінцевій локації і знову і знову використовують одні і ті ж шляхи. Різниця була лише в тому, як вони це роблять, і роблять вони це не просто слідуючи по клітинному скелету, як вважали біологи — вони обирають найпростіший маршрут. Це відкриття продемонструвало силу математики та її можливості в інших науках.

Математичні моделі дозволяють вам збирати безліч гігабайт сирих даних у компактній формі, чого не можуть біологи з мікроскопами. Ви з легкістю можете вносити зміни в модель і бачити, як може змінюватись поведінка везикул під час захворювання, коли вони пошкоджені або мутували. Також це може вказати, на які молекули орієнтуватися в майбутніх дослідженнях — і закласти основу для більш великого і ретельного моделювання складних біологічних процесів.

Змодельований енергетичний ландшафт

Інтеграцію передової мікроскопії з клітинною біологією та математичним моделюванням можна застосувати до багатьох інших проблем в біомедицині та прискорити настання майбутніх відкриттів. Рух молекул і інших клітинних компонентів — лише один приклад того, на що здатна математика, але цим вона, звичайно, не обмежується.

Математику часто критикує суспільство за відсутність «реальних» застосувань, але вона весь час застосовується до багатьох реальних проблем. Забруднення грунтових вод, фінансове та економічне прогнозування, висота вивержень вулканів, моделювання біологічних процесів і доставки ліків — лише кілька прикладів. Математика відіграє центральну роль у багатьох наукових досягненнях всього світу і заслуговує провідної ролі в більшість наукових публікацій.

Гебріел Лорд, професор математики в Університеті Херіо-Ват

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: 
Inline
Inline