Un nuevo lenguaje matemático para el ne biológico

Representación gráfica de manipulaciones del microbioma.

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Representación gráfica de manipulaciones del microbioma de la mosca de la fruta. La pérdida de lactobacilos provoca una distorsión global del panorama epistático del microbioma. (a) Ilustración de estudios experimentales según el diseño experimental de Eble y Gould. (b) Representación de los datos como un gráfico de red, con bordes azules clasificados como significativos, es decir, que representan información e interacciones biológicamente relevantes, y bordes rojos como menos significativos.

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Crédito: Michael Yosvig

Un equipo de investigadores en torno al líder del grupo Max Planck y profesor de matemáticas de Berlín, Michael Joswig, presenta un nuevo concepto para el modelado matemático de interacciones genéticas en sistemas biológicos. En colaboración con biólogos de ETH Zurich y Carnegie Science (EE. UU.), el equipo identificó con éxito reguladores maestros en el contexto de una red genética completa. Los resultados de la investigación proporcionan un marco teórico coherente para el análisis de redes biológicas y han sido publicados. «Actas de la Academia Nacional de Ciencias» (PNAS).

Un objetivo de larga data de los biólogos es identificar genes y especies clave que tienen efectos críticos en la evolución, la ecología y la salud. Ahora los investigadores han logrado identificar algunos genes que actúan como reguladores maestros de las redes biológicas. Estos reguladores maestros ejercen un mayor control dentro del sistema y gestionan procesos celulares clave. Estudios anteriores se han centrado principalmente en las interacciones por pares dentro de un sistema, que pueden verse fuertemente influenciadas por antecedentes genéticos o contexto biológico. «Los efectos dependientes del contexto están muy extendidos en biología pero poco estudiados. El principal desafío de las redes biológicas es que son de gran tamaño. Por lo tanto, por primera vez, nuestro equipo persigue un enfoque de mayor alcance que incluye interacciones de orden superior y, por tanto, identifica reguladores clave en el contexto de toda la red», explica Michael Joswig, profesor de matemáticas discretas y geometría en la Universidad Técnica de Berlín. Miembro distinguido del grupo de excelencia MATH+ de Berlín y líder de grupo en el Instituto Max Planck de Matemáticas de las Ciencias de Leipzig.

El concepto de epistasis como enfoque de modelado geométrico de alta dimensión.

Los científicos estudiaron conjuntos de datos reales proporcionados por biólogos que analizaron la esperanza de vida de las moscas de la fruta. Drosofila basado en la presencia de ciertas combinaciones de bacterias en el intestino. Para describir matemáticamente estos procesos, el equipo utilizó un enfoque de geometría de alta dimensión, reinterpretando un concepto biológico bien conocido. epistasis:. Epistasis se refiere al fenómeno de interacción entre diferentes genes, donde un gen puede influir en la apariencia de otro. Estas interacciones son fundamentales para comprender la herencia genética y la diversidad fenotípica al revelar cómo interactúan diferentes genes para regular la expresión de rasgos específicos. Las interacciones epistáticas son de gran importancia en la naturaleza; Por ejemplo, la epistasis entre bacterias del microbioma puede tener consecuencias funcionales de gran alcance.

Los investigadores analizaron el microbioma de una población completa de moscas de la fruta con cinco especies bacterianas diferentes, así como mediciones de la vida útil de las moscas bajo combinaciones específicas de estas bacterias que representan el fenotipo. Se ha mapeado información biológica relevante utilizando paisajes adaptativos conocidos como paisajes de fitnessy su epistasis se cuantificó para examinar cómo los genes y las especies individuales influyen en las interacciones de toda la red biológica. Los conjuntos de datos de 5 dimensiones resultantes se volvieron a analizar y se presentaron gráficamente.

Identificación de señales relevantes como reguladores maestros de la red.

La principal contribución de este trabajo, que no sólo presenta los hallazgos anteriores de los investigadores en un nuevo lenguaje, sino que también reinterpreta el trabajo anterior de Nico Bierenwinkel, Lior Prachter y Bernd Sturmfels, es representar los paisajes fitness como filtración de redes epistáticas. Este método permite el análisis de experimentos específicos para codificar información biológica relevante, haciéndola legible (interpretable) y permitiendo la identificación de señales relevantes en dimensiones superiores que sirven como reguladores maestros de la red.

Este estudio interdisciplinario en la intersección de la biología y las matemáticas incluye muchos experimentos reales para demostrar la capacidad del método propuesto para detectar información biológicamente relevante y sus señales confiables evitando falsos positivos. El resultado proporciona un marco teórico coherente para el análisis de redes biológicas.

Un marco teórico coherente para el análisis de redes enteras.

En el experimento con la mosca de la fruta descrito anteriormente, toda la interacción genética involucró cinco tipos de genes o bacterias diferentes, cada uno de los cuales contenía una combinación de 32 genes. Este conjunto de datos es la base para sacar conclusiones sobre la vida útil de la mosca. Una consideración importante es qué sucede cuando se introducen genes o parámetros adicionales, un escenario común en la vida real. Debido a su superestructura geométrica consistente, el nuevo método proporciona un marco flexible para detectar y describir escenarios desviados, que no estaba disponible en experimentos anteriores y modelos matemáticos que requerían una evaluación separada para cada experimento individual.

“Estamos entusiasmados de contribuir a describir resultados biológicos en un lenguaje matemático. A través de nuestro método de análisis geométrico-estadístico, esperamos proporcionar una herramienta poderosa para estudiar redes biológicas en dimensiones superiores. Ha demostrado ser una excelente manera de identificar al propietario. Controladores de red. Al aplicar un novedoso enfoque geométrico de alta dimensión que cuantifica la epistasis en el panorama del fitness, pudimos descifrar cómo los genes y las especies individuales influyen en las interacciones en una red biológica más amplia”, concluye Michael Josvig.

La composición microbiana del intestino tiene un impacto significativo en la esperanza de vida y sería deseable aplicar este nuevo método de cuantificación también a los humanos. Sin embargo, debido a la gran cantidad de bacterias que hay en el intestino humano, esto todavía no es posible. Los científicos esperan que futuros desarrollos que utilicen métodos más simples, combinados con procesos de transformación clásicos, puedan allanar el camino para aplicaciones como el desarrollo de medicamentos personalizados.


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