Μοντελοποίηση Δυναμικής Πληθυσμών Σε Κύτταρα: Μια Προσέγγιση Συστημικής Βιολογίας

Abstract

Η Συστημική Βιολογία (Systems Biology) είναι ένα αναπτυσσόμενο πεδίο που στοχεύει στην βαθύτερη κατανόηση των βιολογικών συστημάτων, εφαρμόζοντας μεθόδους ποιοτικής και ποσοτικής ανάλυσης επί των συστατικών στοιχείων του συστήματος και των λειτουργικών σχέσεων μεταξύ αυτών. Για το σκοπό αυτό, επιστρατεύει επιστήμονες όπως βιολόγους, χημικούς, φυσικούς, μαθηματικούς, μηχανικούς και μηχανικούς υπολογιστών για να αποκτήσει, να επεξεργαστεί και να συνδυάσει διαφορετικούς τύπους βιολογικής πληροφορίας.Το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν ο χαρακτηρισμός του βιολογικού συστήματος σχηματισμού σπόρων σε κύτταρα ζύμης (Saccharomyces cerevisae), όχι μόνο από την οπτική γωνία ενός βιολόγου αλλά και ενός μηχανικού και μαθηματικού. Ο σχηματισμός σπόρων είναι ένα φαινόμενο συνδεδεμένο με τη μείωση των κυττάρων ζύμης και εξαρτάται από την ποσότητα θρεπτικών ουσιών που διατίθεται στα κύτταρα. Η ποσότητα αυτή καθορίζει την ενδοκυτταρική συγκέντρωση αρκετών πρωτεϊνών, που φαίνεται να ρυθμίζουν αυτή τη διαδικασία των σπόρων και, τελικά, την προστασία των γαμετών του κυττάρου. Η Mpc54 είναι μια από τις πρωτεϊνες αυτές. Πραγματοποίηθηκαν πειράματα τόσο στον άγριο τύπο των κυττάρων όσο και σε μεταλλαγές αυτών. Η μεταλλαγή που διέθετε μόνο ένα από τα δύο ΜPC54 γονίδια επιλέχθηκε ως το αντικείμενο της μελέτης μας.Στο πρώτο βήμα ανάλυσης της διαδικασίας αυτής, χωρίσαμε τα κύτταρα σε πληθυσμούς ανάλογα με των αριθμό των σπόρων που σχημάτιζαν (0 ως 4 σπόροι) και προσδιορίσαμε την αύξηση κάθε πληθυσμού για τους δύο τύπους κυττάρων με μέτρημα των σπόρων. Το επόμενο βήμα ήταν η μελέτη της δυναμικής των πληθυσμών αυτών με τη βοήθεια διαμερισματικών μοντέλων. Αναπτύξαμε το θεωρητικό υπόβαθρο των βασικών διαμερισματικών μοντέλων και, αφού κατανοήσαμε τη συμπεριφορά τους, προχωρήσαμε προς την κατασκευή ενός μοντέλου που θα προσομοιώνει την συμπεριφορά του βιολογικού συστήματος σχηματισμού σπόρων στα κύτταρα ζύμης. Βάσει του μοντέλου και της αναλυτικής μαθηματικής του περιγραφής, πραγματοποιήσαμε το fitting των πειραματικών μας δεδομένων. Το fitting των δεδομένων μας προσέφερε μια ποσοτική υποστήριξη στην ποιοτική ανάλυση του συστήματος που είχε προηγηθεί. Η πρωτεϊνη Mpc54 αποδείχθηκε δομικό στοιχείο για το σχηματισμό σπόρων. Τα κύτταρα ζύμης που διαθέτουν μόνο ένα από τα δύο MPC54 γονίδια ακολουθούν το ίδιο σχήμα δυναμικής εξέλιξης με τα κύτταρα άγριου τύπου, μέχρι το σημείο όπου η έλλειψη της Mpc54 πρωτεϊνης οδηγεί τα κύτταρα μακρυά από την αναμενόμενη πορεία. Τα μεταλλαγμένα κύτταρα αντιλαμβάνονται την έλλειψη της πρωτεϊνης Mpc54 και αντιμετωπίζουν απρόθυμα των σχηματισμό τριών ή τεσσάρων σπόρων, όπως συμβαίνει στον άγριο τύπο, ενώ, αντίθετα, ευνοείται ο σχηματισμός δύο σπόρων.