Notícia

Matemáticos identificam fonte relevante da variabilidade célula a célula na sinalização celular

Fonte

KAIST | Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia do Sul

Data

sexta-feira, 1 abril 2022 12:15

Áreas

Biologia. Bioquímica. Modelagem Matemática.

Por que células geneticamente idênticas respondem de forma diferente aos mesmos estímulos externos, como antibióticos? Este mistério de longa data foi resolvido por matemáticos do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia do Sul (KAIST) e do Instituto de Ciências Básicas (IBS) da Coreia do Sul, que desenvolveram uma nova estrutura para analisar as respostas de células a alguns estímulos. A equipe descobriu que a variabilidade célula a célula na resposta ao estresse antibiótico aumenta à medida que o comprimento efetivo da via de sinalização celular (ou seja, o número de etapas limitantes da taxa) aumenta. Essa descoberta pode identificar quimioterapias mais eficazes para superar a morte fracionada de células cancerígenas causada pela variabilidade célula a célula.

As células do corpo humano contêm sistemas de transdução de sinal que respondem a vários estímulos externos, como antibióticos e mudanças na pressão osmótica. Quando um estímulo externo é detectado, várias reações bioquímicas ocorrem sequencialmente. Isso leva à expressão de genes relevantes, permitindo que as células respondam ao ambiente externo perturbado. Além disso, a transdução de sinal leva a uma resposta ao medicamento (por exemplo, genes de resistência a antibióticos são expressos quando são administrados medicamentos antibióticos).

No entanto, mesmo quando os mesmos estímulos externos são detectados, as respostas das células individuais são muito heterogêneas. Isso leva ao surgimento de células persistentes que são altamente resistentes às drogas. Para identificar fontes potenciais dessa variabilidade célula a célula, muitos estudos foram realizados. No entanto, a maioria das reações intermediárias de transdução de sinal não são observáveis ​​com as técnicas experimentais atuais.

Um grupo de pesquisadores  liderado pelo professor Dr. Jae Kyoung Kim, do Departamento de Ciências Matemáticas do KAIST e do Grupo de Matemática Biomédica do IBS, resolveu o mistério explorando a teoria das filas e a metodologia de inferência bayesiana. Eles propuseram um processo de enfileiramento que descreve o sistema de transdução de sinal nas células. Com base nisso, os pesquisadores desenvolveram um software computacional de inferência bayesiana usando o MBI (Moment-based Bayesian Inference method). Isso permite a análise do sistema de transdução de sinal sem uma observação direta das etapas intermediárias. Os resultados do estudo foram publicados na revista científica Science Advances.

Ao analisar dados experimentais de Escherichia coli usando o MBI, a equipe de pesquisa descobriu que a variabilidade de célula para célula aumenta à medida que o número de etapas limitantes de taxa na via de sinalização aumenta.

As etapas de limitação de velocidade denotam as etapas mais lentas (ou seja, gargalos) nas etapas de reação bioquímica sequencial que compõem as vias de sinalização celular e, portanto, dominam a maior parte do tempo de sinalização. À medida que o número de etapas limitantes de velocidade aumenta, a intensidade do sinal torna-se muito heterogênea, mesmo em uma população de células geneticamente idênticas. Espera-se que esta descoberta forneça um novo paradigma para estudar a resistência heterogênea de células a antibióticos, o que é um grande desafio na oncologia.

“Como matemático, estou animado para ajudar a avançar na compreensão da variabilidade célula a célula em resposta a estímulos externos. Espero que esta descoberta facilite o desenvolvimento de quimioterapias mais eficazes”, concluiu o professor Jae Kim.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia do Sul (em inglês).

Fonte: KAIST. Imagem: momento da diferenciação de células-tronco cardíacas. Fonte: Wikimedia Commons.

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