Πώς τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος ανιχνεύουν τις μολύνσεις;
Πώς καταφέρνουν τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος να ταξινομούν μέσα στο σώμα τεράστιους αριθμούς πρωτεϊνών που μοιάζουν μεταξύ τους, εντοπίζοντας τους ξένους εισβολείς και καταπολεμώντας τις λοιμώξεις;
«Για τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος το να ξεχωρίσουν τις ξένες πρωτεΐνες μοιάζει σα να ψάχνουν μια βελόνα ανάμεσα σε άχυρα. Με τη βελόνα να μοιάζει πολύ με καλαμάκι και με ορισμένα καλαμάκια να μοιάζουν πολύ με μια βελόνα», λέει ο Paul François, καθηγητής της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο McGill.
Κατανοώντας το πώς αντιμετωπίζουν τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος αυτή την τρομερή πρόκληση μπορούμε να συλλέξουμε χρήσιμες πληροφορίες για την κατανόηση όλης της γκάμας των ασθενειών του ανοσοποιητικού, από το AIDS μέχρι τις αυτοάνοσες διαταραχές.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση Physical Review Letters, ο François και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Jean-Benoît Lalanne του McGill χρησιμοποίησαν υπολογιστικά εργαλεία για να εξετάσουν τι είδους λύσεις μπορεί να χρησιμοποιήσει το ανοσοποιητικό σύστημα, προκειμένου να ανιχνεύσει μικρές συγκεντρώσεις των ξένων αντιγόνων (χαρακτηριστικό των δυνητικά επιβλαβών μολύνσεων) μέσα σε έναν… ωκεανό «αυτο-αντιγόνων», που συνήθως εμφανίζονται στην επιφάνεια των κυττάρων. Οι προσομοιώσεις στον υπολογιστή που πραγματοποίησαν οι ερευνητές έδωσαν μια εκπληκτικά απλή λύση που σχετίζεται με το γνωστό φαινόμενο της βιοχημικής προσαρμογής – ένα γενικό βιοχημικό μηχανισμό που επιτρέπει στους οργανισμούς να αντιμετωπίσουν τις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.
Για να βρει λύσεις ο υπολογιστής χρησιμοποίησε έναν αλγόριθμο εμπνευσμένο από τη δαρβινική θεωρία της εξέλιξης. Ο αλγόριθμος αυτός σχεδιάστηκε στο παρελθόν και δημιουργεί τυχαία μαθηματικά μοντέλα βιοχημικών δικτύων. Στη συνέχεια τα βαθμολογεί και συγκρίνει τις ιδιότητες των δικτύων αυτών με προκαθορισμένες ιδιότητες του ανοσοποιητικού συστήματος. Τα δίκτυα με τα καλύτερα αποτελέσματα αναπαράγονται στην επόμενη γενιά και μεταλλάσσονται και η διαδικασία επαναλαμβάνεται σε πολλές προσομοιωμένες «γενιές» μέχρι τα δίκτυα να φτάσουν σε ένα τέλειο αποτέλεσμα. Στην περίπτωση αυτή, σχεδόν όλες οι λύσεις που βρέθηκαν ήταν παρόμοιες και μοιράζονται μια κοινή δομή πυρήνα ή σχέδιο.
«Η προσέγγισή μας παρέχει ένα απλούστερο θεωρητικά πλαίσιο και την κατανόηση του τι ακριβώς συμβαίνει, όπως ακριβώς τα κύτταρα του ανοσοποιητικού εντοπίζουν μέσα στα “άχυρα” τα ξένα αντιγόνα και πυροδοτούν την ανοσολογική “απάντηση”. Το μοντέλο μας μοιράζεται πολλές ομοιότητες με τα πραγματικά ανοσοποιητικά δίκτυα. Το εντυπωσιακό είναι πως η απλούστερη λύση που βρήκαμε έχει δύο παρόμοια χαρακτηριστικά και μερικά “τυφλά σημεία” του πραγματικού ανοσοποιητικού συστήματος που μελετήσαμε σε προηγούμενες μελέτες», λέει ο François.
Η χρηματοδότηση για την έρευνα αυτή δόθηκε από το Συμβούλιο Ερευνας Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής του Καναδά και το Πρόγραμμα για τα ανθρώπινα επιστημονικά όρια.