26. april 2021

Grundforskning i fysik fører til lovende resultater indenfor biologi og medicin

Biokompleksitet:

Svingninger er et grundlæggende fysisk fænomen. Men det virker ikke altid umiddelbart forståeligt, hvorfor der sker svingninger i naturen. Her taler vi om svingninger i fx populationer i ildfluer, koncentrationer af proteiner i en celle, hjernens neuroner eller andre, helt fundamentale fænomener. Forskere ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, har nu vist, at når svingningerne synkroniseres med hinanden, kan man styre forekomsten af afgørende proteiner i cellerne, hvis man styrer svingningen af blot ét protein. Resultatet har et stort potentiale indenfor biologisk og medicinsk forskning og er nu publiceret i det videnskabelige tidsskrift Cell Systems.

Figuren viser hvordan banerne udvikler sig i NF-kB netværket.
Figuren viser hvordan banerne udvikler sig i NF-kB netværket – dvs. interaktionerne mellem de 5 proteiner, der i sidste ende styrer NF-kB - efter overgangen til en kaotisk dynamik. Hvert punkt repræsenterer en kombination af proteiner på et specifikt tidspunkt, og fra strukturen er det tydeligt at se, at det samme punkt aldrig rammes igen, efterhånden som tiden skrider frem – en af observationerne, som er karakteristisk for kaotisk dynamik.

”Det er ikke helt logisk”, siger Mathias Heltberg, postdoc ved Niels Bohr Institutet, ”præcis hvorfor de her tilstande ikke bare er konstante. Der er noget helt fundamentalt på spil i svingninger, som gør sig gældende over et stort spænd af områder indenfor biologien og fysikken – og måske i særdeleshed i kombinationen af de to felter”.

Grundforskning i svingninger er udgangspunktet for de nye resultater

Svingninger, eller oscillationer, som de også hedder, gør sig gældende på alle skalaer, lige fra cellernes proteiner til døgnets eller månedernes rytme. Dette studie bygger på viden helt tilbage fra 1980erne, hvor professor ved Niels Bohr Institutet, Mogens Høgh Jensen, samarbejdede med Professor Leo Kadanoff. Leo Kadanoff var en pioner inden for statistisk fysik og dynamiske systemer. Han så allerede i nullerne, at der måtte være et potentiale indenfor oscillerende systemer, fordi der findes så mange forskellige systemer, som oscillerer.

P53 – superproteinet, som styrer cellens andre proteiner, tiltrækker sig særlig interesse

Professor Mogens Høgh Jensen og postdoc Mathias Heltberg har længe arbejdet med netop proteinet P53, hvis forekomst svinger over en periode på ca 5 timer . P53 er det mest velbeskrevne protein i cellerne, fordi det styrer en række andre proteiner, der er vigtige for sårheling, DNA-skader og udvikling af kræft.  Svingningerne i forekomsten af P53 i cellerne er derfor på mange måder nøglen til at forstå, hvordan P53 styrer de andre proteiner i cellen.

Synkronisering mellem koblede svingninger styrer proteinerne i cellerne

Den forudgående forskning i oscillationer, som er grundlaget for det nye resultat, gik bl.a. ud på at forstå såkaldt koblede svingninger: Har man en svingning ved én frekvens, som man sætter sammen med svingninger med en anden frekvens, opstår en synkronisering. Det er dette princip forskerne har arbejdet videre med, i forsøget på at forstå hvordan synkroniseringen indgår i biologiske systemers funktionsmåde, så man kan opnå kontrol og regulere på dem – særligt med henblik på brug i medicinsk forskning, over et bredt felt af områder.

Er forskellige typer af dynamik elementer i naturens værkstøjskasse?

Ved at tage udgangspunkt i de normale oscillationer, kan man, ved at koble blot to systemer, få en rigdom af forskellige typer af dynamik - heriblandt kaos. Netop dette har speciel interesse for fysikerne. “Det er egentlig helt fantastisk at man kan kombinere to oscillationer - hvis man gør det med én styrke synkroniserer de, og man får dermed et meget kontrolleret system. Hvis man gør det med en anden styrke kan de blive kaotiske og give et meget uordentligt system med et spektrum af amplituder” udtaler Mathias Heltberg. Forskerne håber at kunne påvise hvordan celler kan drage nytte af, at disse meget forskellige typer af dynamik kan opstå, og potentielt blive til forskellige redskaber i cellens store værktøjskasse - til at skabe den perfekte regulering.

DNA skader – hvad styrer dem, og kan kontrollerede svingninger hjælpe med at reparere dem?

Forskerne forsøger i øjeblikket at definere, hvordan proteinnetværkene hænger sammen via de perioder, fx proteinet P53 svinger med. ”Det er en grundlæggende, ny forståelse, som man kan sige går fra fysikken og over i biologien. Det fundamentale princip om svingninger indenfor fysikken og hvordan svingninger påvirker hinanden, lader til at kunne oversættes til biologien, så vi måske kan skabe ideelle forhold for cellernes reparation af DNA-skader – eller andre biologiske fænomener, som kan finde anvendelse indenfor medicinsk og biologisk forskning”, fortæller Mathias Heltberg.

Derfor tager vi sådan set udgangspunkt i fysikken, men med et meget skarpt blik på, hvilken indflydelse det kan have i biologien”, fortæller Mathias Heltberg. ”I fysik beskriver vi grundlæggende hvordan dynamiske systemer udvikler sig over tid, og beskriver det med matematik. Det kan vi anvende i biologien – det giver os mulighed for at regulere, hvordan vi vil kontrollere fx mængden af proteiner i en celle – for at opnå et bestemt resultat”.

Link til den videnskabelige artikel: https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(21)00108-3