U bent hier: Home / In de kijker / Een theoretisch model voor een biologische pulse generator

Een theoretisch model voor een biologische pulse generator

Theoretische fysici werken modellen uit die helpen om de natuur beter te begrijpen. Dat kan ook gelden voor biologische systemen: een nieuw wiskundig model beschrijft een eenvoudig systeem dat verklaart hoe een bepaald eiwit met een stabiele frequentie in “pulsen” wordt geproduceerd.

Levende cellen zijn voorbeelden van complexe regelnetwerken. Genen worden overgeschreven in mRNA dat vervolgens wordt vertaald naar eiwitten. Die eiwitten voeren in en om de cel allerlei activiteiten uit. Hoeveel er op welk tijdstip van een bepaald eiwit wordt geproduceerd, is een belangrijke factor in het goede functioneren van cellen, en bij uitbreiding, van organismen.

Van sommige eiwitten schommelt de concentratie in de cellen met een vaste periode, zoals bijvoorbeeld de eiwitten die instaan voor onze interne klok met een 24-urenritme. Van andere schommelingen in eiwitconcentraties vermoedt men dat ze niet zozeer te maken hebben met een klokmechanisme of een dag/nachtritme dan wel met signaalfuncties, te vergelijken met morsecode. Eiwitten met pulserende concentraties komen in elk geval veel voor.

Maar hoe speelt een cel het klaar om een bepaald eiwit in concentratie te laten schommelen met een vaste periode, onafhankelijk van externe omstandigheden? De activiteit van genen wordt zelf geregeld door eiwitten, in een complex netwerk. Als je daar een theoretisch model van wil maken, dan lijkt het een goed idee om “motieven” te isoleren uit het geheel, liever dan de interactie te modelleren tussen honderden of zelfs duizenden genen. Als we een oscillator willen modelleren, kunnen we denken aan een LC-koppeling in de elektronica, dat is een teruggekoppeld circuit dat een oscillerend signaal als output heeft. Iets gelijkaardigs vinden we in biologische systemen: sommige genen produceren eiwitten die terugkoppelen naar de activiteit van (dezelfde of andere) genen.

Fysici uit Leuven en Lille, met onder andere Enrico Carlon van de Afdeling Theoretische Fysica, hebben samen een eenvoudig model ontworpen van twee eiwitten die op een biochemisch realistische manier op elkaar terugkoppelen. Het model heeft onverwachte mooie eigenschappen: beide eiwitten hebben een schommelende concentratie, maar één van de twee heeft een robuuste periode, die stabiel blijft ook als de periode van het andere fluctueert.

Dit is een theoretische voorspelling gebaseerd op een wiskundig model. Maar precies dat resultaat is in talloze reële situaties van cellen in de natuur erg nuttig, vandaar dat men zich kan afvragen of de natuur in de loop van de evolutie dit eenvoudige model ooit eens heeft ontdekt en of het door natuurlijke selectie is komen bovendrijven. Dat proberen bio-informatici nu te achterhalen. In grote databanken met gegevens van biologen die interacties tussen eiwitten in reële situaties hebben gemeten, zoeken ze naar interacties die kloppen met het model.

Ook als er in de natuur geen voorbeeld wordt gevonden van dit motief voor interactie tussen twee eiwitten, is het model een nuttige basis voor de synthetische biologie. Wie een systeem wil maken met een stabiele pulse van één bepaald eiwit, heeft daar nu een uitstekend recept voor.

De volledige paper vindt u hier