PNAS：数学能否帮助我们理解生命或疾病？

——最新模型将数学之美与生物学联系起来

　　

生物通报道：某一类细胞是如何组成器官的？由基因到蛋白质、蛋白质到细胞、细胞到组织、组织到器官，机体是如何完成的？生物系统这些复杂的互动让人匪夷所思的同时，也促成了生命科学产业。

来自美国的两位数学家为生命科研工作者们带了一种新的思考方式，帮助人们更好地了解我们的身体和其他生物。他们指出，这是一个有关“功能的产生”的高度理想化的框架，并没有考虑到这个过程中的每个细节。通过跳出条条框框，建立一个简化的基于数学的模型，他们希望提供一个基石，为科学家们了解形成一个活的组织时，细胞内外到底发生了什么提供一点线索。假设机体没有按照规定的程序进行的话，它还可以帮助我们了解癌症等疾病。

美感的结合
密歇根大学的助理教授Indika Rajapakse和加州伯克利大学的荣誉教授Stephen Smale，两人从事这个概念已经数年了。Smale一直被认为是动力系统建模的先锋。本科和研究生都毕业于密歇根大学。几年前, Rajapakse在密歇根大学认识了Smale，于是他们就开始探索如何将人类基因组作为一个动态系统来研究的课题。

Rajapakse说“这个过程是发生在我们的身体中的。当细胞经历生生死死，但组织的功能依旧，我们需要利用优美的数学和优美的生物学理解组织的韵律之美。”

为了这项工作，他们甚至参考了阿兰•图灵（计算机科学之父）的研究——形态发生的数学基础。Rajapakse说：“我们的方法改编自图灵的技术，结合了细胞内的染色体动力学和细胞之间的扩散动力学。Rajapakse的生物学家和工程师团队运用生化方法和高分辨率成像技术，捕捉了人类基因组动力学的三维立体影像。”

将基因组和数学结合起来
他们的模型是以一个比较理想的状态为基础的，即有机体的基因在生命周期内不发生变化。去年春天,他们发表了一篇论文，奠定了基因调控过程的数学基础——基因是何时，以什么频率生产蛋白质的。 利用数学技术，我们还可以研究细胞分化、细胞相互作用、细胞网络的基因组动力学。

与图灵的研究区别开来的是，这项新研究中，这些细胞网络的节点不是静态的，它们的表现将取决于环境因素为它们添加的表观遗传学标签。

接下来的研究
他们将继续探究“功能的产生”。比如，癌症，来自细胞发育和增殖周期失调。再比如，诱导多能干细胞，让时光倒流，重塑细胞类型。

Rajapakse旨在使用真实的基因组数据，以及细胞生物学通过实验手段获得的数据，专注于癌症和细胞重新编程。 这项工作将与密歇根大学肿瘤转化项目的成员们，以及国家癌症研究所的Thomas Ried医学博士，一起合作完成。

在今年巴萨罗纳召开的计算生物学和基因组学会议上，他还在招募世界各地的数学家。Rajapakse说“细胞周期是最精确的,美丽的东西，当我们对它有了一个明确的数学理解时，我们就可以创建计算机模型，通过数学来探索人体之美。”（生物通：卢兆丹）

原文题目：

Emergence of function from coordinated cells in a tissue