Model celular

Part del cicle celular

Un model celular és un model matemàtic d'aspectes d'una cèlula biològica, en el propòsit d'investigació in silico.

El desenroll d'estos models ha segut una tasca de la biologia de sistemes i la biologia matemàtica. Implica desenrollar algoritmes eficients, estructures de senyes, visualisació de senyes i comunicació per a orquestar l'integració de senyes biològiques per al modelació informàtica.^{cita requerida}

L'us de simulacions per computadora de subsistema celulars, com les rets de metabòlits i enzimes que comprenen el metabolisme, les vies de transducció de senyals i les rets reguladores de gens poden ser modelats per a comprendre el funcionament d'una cèlula biològica.^{cita requerida}

Descripció general d'un model celular

Un eixemple representatiu d'un model celular és el cicle celular eucariota, un procés altament complex i un dels temes més estudiats, degut a que el seu desregulación pot conduir al desenroll de càncer.^{cita requerida}

Dos grups d'investigació han desenrollat múltiples models del cicle celular en varis organismes. Recentment, s'ha propost un model genèric del cicle celular eucariota que pot representar un eucariota particular depenent dels valors assignats als paràmetros, demostrant que les diferències observades entre els cicles celulars individuals es deuen principalment a diferents concentracions i afinitats de proteïnes, mentres que els mecanismes subjacents es conserven.

Models determinista i estocàstics

Utilisant un sistema d'equacions diferencials ordinàries, estos models mostren el canvi estructural i funcional en el temps de la proteïna dins d'una única cèlula típica (sistema dinàmic); este tipo de model es denomina sistema determinista, mentres que un model que descriu una distribució estadística de concentracions de proteïnes en una població de cèlules es denomina procés estocàstic.

Construcció i ajust del model

Per a obtindre estes equacions es deuen realisar passos iterativos. Per a açò, primer s'integren els diversos models i observacions per a formar un diagrama de consens i s'elegixen les lleis cinètiques apropiades per a escriure les equacions diferencials, com la velocitat de reacció per a reaccions estequiomètriques, la cinètica de Michaelis-Menten para reaccions enzima-substrat i la cinètica de Goldbeter-Koshland per a factors de transcripció, posteriorment els paràmetros de les equacions (constants de velocitat, coeficients d'eficiència enzimàtica i constants de Michaelis) es deuen ajustar per a que coincidixquen en les senyes experimentals; quan no es poden ajustar, es revisa l'equació cinètica i quan això no és possible, es modifica el diagrama de conexions. Els paràmetros s'ajusten i validen utilisant observacions tant del fenotip selvat com de les mutantes, considerant senyes com la vida mija de la proteïna i el tamany de la cèlula.

Simulació i anàlisis del sistema

Per a portar a terme este ajust, és necessari resoldre les equacions diferencials. Açò es pot fer per mig de simulació computacional o per mig d'anàlisis matemàtic del sistema. En una simulació, donat un vector inicial (llista de valors de les variables), la progressió del sistema es calcula resolent les equacions en cada interval de temps en chicotets increments.

Durant l'anàlisis, les propietats de les equacions s'utilisen per a investigar el comportament del sistema en funció dels valors dels paràmetros i variables. Un sistema d'equacions diferencials es pot representar com un camp vectorial, a on cada vector descriu el canvi (en la concentració de dos o més proteïnes), determinant cap a on i quines tan ràpit es dirigix la trayectòria (simulació). Els camps vectorials poden tindre varis punts especials: un punt estable, conegut com sumidero, que atrau en totes direccions (lo que obliga a les concentracions a estar en un valor determinat), un punt inestable, ya siga una font o un punt de cadira, que repelix (lo que obliga a les concentracions a alluntar-se d'un valor determinat); i un cicle llímit, una trayectòria tancada cap a la que es dirigixen en espiral vàries trayectòries (lo que fa que les concentracions oscilen).^{cita requerida}

Una millor representació que pot manejar el gran número de variables i paràmetros es diu diagrama de forcall (teoria del forcall). La presència d'estos punts especials d'estat estacionario en certs valors d'un paràmetro (per eixemple, massa) es representa per un punt i una volta que el paràmetro passa un cert valor, ocorre un canvi qualitatiu, cridat forcall, en el que canvia la naturalea de l'espai, en profundes conseqüències per a les concentracions de proteïnes.

Una volta que la fase ha canviat en un event de forcall (punt de control del cicle celular), el sistema no pot tornar als nivells anteriors, ya que en la massa actual el camp vectorial és profundament diferent i la massa no es pot revertir a través de l'event de forcall, lo que fa que un punt de control siga irreversible. En particular, els punts de control S i M solen estar regulats per mig de forcalls especials cridats forcall de Hopf i forcall de periodo infinit.

Diagrama de forcall que mostra cóm la massa celular regula la dinàmica del complex MPF durant el cicle celular eucariota.

Simulacions a nivell molecular

El programa Cell Collective és un software de modelació que permet almagasenar senyes biològiques dinàmiques, construir models computacionals, estimular, trencar i recrear models. El seu desenroll està dirigit per Tomas Helikar, un investigador en el camp de la biologia computacional. Està dissenyat per a biòlecs i estudiants de biologia computacional i per a professors i investigadors enfocats en l'ensenyança de les ciències de la vida. La complexitat de les matemàtiques i l'informàtica que estan incorporades en la base molecular d'un procés biològic, permeten deprendre sobre els métodos utilisats per a modelar espècies biològiques, sense que les equacions matemàtiques complexes, els algoritmes o la programació siguen un requisit, i per lo tant, no impedixquen la construcció de models. El base matemàtic darrere de Cell Collective es fonamenta en una tècnica comuna de modelació qualitativa (discret) a on el mecanisme regulador de cada nodo es descriu en una funció llògica, lo que permet predir, caracterisar i explicar el comportament complex d'un sistema biològic en diversos escenaris. el procés de modelació que es realisa es descriu en el següent diagrama.

Diagrama descriptivo del procés general de la modelació celular

L'equip liderat per Markus Covert en Stanford va publicar en l'any 2012 el model computacional de Mycoplasma genitalium, el qual va ser publicat per la revista Cell. El model es caracterisa per ser el genoma procariota més chicotet fins al moment, el qual conta en aproximadament cinccents gens i vintihuit components algorítmicamente independents que incorporen treball de més de noucentes fonts. Este model explica les interaccions del genoma complet, el transcriptoma, el proteoma i el metaboloma de l'organisme, lo que marca un alvanç significatiu per al camp, permetent analisar conjunts de senyes de genómica i genómica funcional, aumentant significativament l'impacte de l'investigació bioinformática.

La majoria dels intents de modelar els processos del cicle celular s'han centrat en les àmplies i complicades interaccions moleculars de moltes substàncies químiques diferents, incloent vàries molècules de ciclinas i quinasas depenents de ciclina, i com estes corresponen a les fases S, M, G1 i G2 del cicle celular. Estes representen diferents etapes del creiximent i divisió celular. G1 és un periodo de creiximent inicial, S és a on es replica el ADN, G2 és un periodo de creiximent i preparació per a la mitosis i M és la fase de divisió celular.

Descripció del cicle celular

La majoria dels intents de modelar els processos del cicle celular s'han centrat en les àmplies i complicades interaccions moleculars de moltes substàncies químiques diferents, incloent vàries molècules de ciclinas i quinasas depenents de ciclina, i com estes corresponen a les fases S, M, G1 i G2 del cicle celular. Estes representen diferents etapes del creiximent i divisió celular. G1 és un periodo de creiximent inicial, S és a on es replica el ADN, G2 és un periodo de creiximent i preparació per a la mitosis i M és la fase de divisió celular.

Colaboradors de l'Universitat d'Oxford, Virginia Tech i el Institut de Génétique et Dévelopment de Rennes varen produir un model simplificat del cicle celular utilisant solament una interacció ciclina/CDK, les quals són proteïnes clau en la regulació del cicle celular. Este model va demostrar la capacitat de controlar una divisió celular totalment funcional per mig de la regulació i manipulació d'una única interacció, i inclús va permetre als investigadors botar-se fases variant la concentració de ciclinas. Este model podria ajudar a comprendre cóm les interaccions relativament simples d'una substància química es traduïxen en un model de divisió celular a nivell celular.