Fysikere udvikler modelleringssoftware til diagnosticering af alvorlige sygdomme

Denne software udfylder behovet for det vigtige, manglende software led i de pt. tilgængelige bio-molekylære modelleringsværktøjer og det muliggør modellering og forståelse af mange, forskellige biologiske processer, hvor cellemembraner er involveret – fx celledeling.

Membraners form indeholder information om cellernes fysiologiske tilstand og den generelle helbredstilstand, som hele organismen er i. Det betyder, at værktøjet, med sit brede anvendelsesspektrum, vil udvide vores forståelse af celle-opførsel og åbne nye veje for diagnostik af infektioner og sygdomme som Parkinsons.

Publikationen af FreeDTS er nu udgivet i Nature Communications.

Hvorfor deler man helt åbent et stærkt software-værktøj, der kunne have givet NBI en fordel?

Software pakken, som Weria Pezeshkian fra Niels Bohr Institutet har arbejdet på de seneste 5 år, efter en indledende ide af John Ipsen fra Syddansk Universitet og han selv, deles med alle – lagt ud, helt åben for alle forskere indenfor forskningsfeltet.

Almindeligvis er konkurrencen mellem forskere for at opnå resultater høj og videnskabelige fremskridt holdt hemmelige indtil publikation – så det virker som en ekstremt generøs attitude at ”forære” et vigtigt værktøj væk på denne måde. Nærmest naivt.

Forklaringen er et pudsigt mix af respekt for pionererne indenfor biomolekylær modellering og det faktum, at feltet byder på så mange ubesvarede spørgsmål, at det ville virke næsten respektløst overfor det videnskabelige samfund at holde værktøjet for os selv, forklarer Weria Pezeshkian.

”Der er så mange spørgsmål og flaskehalse at takle før vi når endemålene, at det ville være usandsynligt at vi arbejder på nøjagtig de samme problemer. Selvfølgelig sker der af og til overlap, men det er besværet værd at overvinde for at rykke feltet fremad.

Der er imidlertid også en anden grund: En af årsagerne til, at det videnskabelige miljø indenfor biomolekylær modellering har haft en bølge af medgang og stærk vækst er, at vi altid har anstrengt os for at få flere folk med, inkludere dem og dele ideer, resultater og metoder med hinanden, og faktisk ofte direkte assistance uden at forvente noget til gengæld.

Denne kultur blev skabt af de tidlige pionerer i feltet, måske frem for alt Herman Berendsen, som altid promoverede denne tilgang med deling og inklusion – så vi står i høj grad på skuldrene af kæmper i denne sammenhæng”.

Biologiske membraner – hvad er det egentlig for noget?

Hvis man ser en celle for sig, kan man forestille sig en række små ”fabrikker” indeni - organeller, som de hedder – som alle udfylder deres egen funktion. De er omgivet af en membran. Cellen er ydermere omgivet af en membran – en såkaldt plasmamembran.

Men membraner udgør ikke bare afgrænsninger. De deltager aktivt i et væld af processer. De er lavet af en myriade af forskellig molekyler, de er dynamiske, altid i bevægelse. Mange sygdomme er sat i forbindelse med irregulær membranform og unormal biomolekylær organisering.

Derfor kan studiet af membraner hjælpe os til at forstå cellers tilstand og den overordnede helbredstilstand for hele organismen.

Når en neuron fx har forøget fyringsfrekvens, hvilket er en indikation på, at den har brug for energi, ændres strukturen på mitochondria – et organelle, som tager sig af at generere pakker med celle-energi fra mad (Dette organelle bliver ofte kaldt kraftværket i cellen).

Der er desuden forskellige sygdomme, fx Alzheimers, som er associeret med ændringer i mitochondrielle membranformer.

Computermodeller vil forbedre vores muligheder for at foretage diagnostik

”som det er nu, er vi ikke i stand til at se nøjagtig hvad betydningen er af forskellige ændringer i membranformer og nøjagtig hvordan de er relateret til diagnostikken af de enkelte sygdomme. Men på et senere tidspunkt, i fremtiden, kommer metoden med at prøve sig frem i laboratoriet – og fejle mange gange – til at fylde meget mindre, idet modellering vil kunne guide eksperimenterne med stor præcision, fordi vores modeller bliver mere og mere nøjagtige og de beregningsmæssige muligheder øges.

Vi kommer til at få brug for en lang række justeringer undervejs og der er stadig lang vej til målet. Netop derfor er det virkelig rart at arbejde i dette åbne, videnskabelige miljø, hvor vi deler alt, idet vi alle arbejder på forskellige aspekter af feltet”, forklarer Weria Pezeshkian.

Weria er dog også forsigtig i sin tilgang: ”Det er muligvis at ”strække den lidt” , men det er ikke umuligt, at vi i fremtiden, ved at benytte vores billeddannende værktøjer af fx mitochondria og anvende fysikbaserede computersimulationer, kan sige: Denne person har denne bestemte sygdom eller genetiske fejl.

Med andre ord, perspektivet for anvendelse af computerbaseret modellering er virkelig stort – vi er der ikke helt endnu, men vi kan se det dukke op i horisonten”. 

Link til den videnskabelige artikel: https://www.nature.com/articles/s41467-024-44819-w