数学发现为研究细胞活动衰老提供了新方法

密西西比州立大学的一位研究人员与哈佛医学院和剑桥大学的同事最近发表的一篇论文称，揭示细胞蛋白质分解速度的新数学工具有望更深入地了解我们如何衰老。

密歇根州立大学生物化学、分子生物学、昆虫学和植物病理学系助理教授盖伦·柯林斯(GalenCollins)是该论文的合著者，该论文于四月份发表在《美国国家科学院院刊》上。

“我们已经了解蛋白质的生成速度有多快，这可能在几分钟内发生，”柯林斯说，他也是密西西比州农业和林业实验站的科学家。“到目前为止，我们对它们需要多长时间才能分解还知之甚少。”

应用数学论文《哺乳动物蛋白质组动力学的最大熵测定》提出了量化细胞蛋白质降解率(它们分解的速度)的新工具，帮助我们了解细胞如何生长和死亡以及我们如何衰老。蛋白质——由各种氨基酸组合而成的复杂分子——承担着细胞内的大部分工作量，提供其结构，响应来自细胞外的信息并清除废物。

结果证明，并非所有蛋白质都以相同的速度降解，而是属于三类之一，在几分钟、几小时或几天内分解。虽然之前的研究已经检查了细胞蛋白质的分解，但这项研究首次使用一种称为最大熵的技术，以数学方式量化所有细胞蛋白质分子的降解率。

“对于某些类型的科学问题，实验通常可以揭示无限多种可能的答案;然而，它们并不都同样合理，”哈佛大学应用数学研究员、主要作者亚历山大·迪尔(AlexanderDear)说。

“最大熵原理是一种数学定律，它向我们展示如何精确计算每个答案的合理性——它的‘熵’——以便我们可以选择最有可能的答案。”

“这种数学有点像一个摄像头，从很远的地方放大你的车牌，然后计算出数字应该是多少，”柯林斯说。“最大熵让我们清晰而准确地了解了细胞中蛋白质降解的发生方式。”

此外，该团队还使用这些工具来研究蛋白质降解对人类和动物的一些具体影响。首先，他们研究了随着肌肉发育和适应饥饿，这些比率如何变化。

柯林斯说：“我们发现饥饿对肌肉细胞中的中间蛋白质组影响最大，这些蛋白质的半衰期为几个小时，导致分解转移和加速。”“这一发现可能对因疾病及其治疗而出现恶病质或肌肉萎缩的癌症患者产生影响。”

他们还探讨了某些细胞蛋白质分解的变化如何导致神经退行性疾病。

柯林斯说：“这些疾病是由于通常会迅速分解的废弃蛋白质的寿命超过其应有的寿命而发生的。”“大脑变得像青少年的卧室一样，堆积着垃圾，如果你不清理它，它就会变得无法居住。”

Dear肯定了这项研究的价值不仅在于它揭示了细胞蛋白质变性，还在于为科学家提供了一种精确研究细胞活动的新方法。

“我们的工作为量化细胞中的蛋白质代谢提供了一种强大的新实验方法，”他说。“它的简单性和快速性使其特别适合研究代谢变化。”