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Il programma di NIAID mira a modellare le risposte immunitarie e le malattie infettive chiave

Un nuovo programma all'Istituto Nazionale dell'Allergia e delle Malattie Infettive (NIAID) mira a capire meglio le reti biochimiche complesse che regolamentano le interazioni fra gli organismi contagiosi e le celle umane o animali essi infetta.

Il Programma in Immunologia dei Sistemi e la Malattia Infettiva che Modella (PSIIM) impiegheranno un nuovo approccio potente chiamato biologia di sistemi di calcolo per sviluppare una comprensione più profonda di come gli agenti patogeni causano la malattia e di come il sistema immunitario risponde a loro.

“Capire la complessità scoraggiante dei sistemi biologici è la più grande sfida ed al di avanguardia di scienza nel XXI secolo,„ dice Direttore Elias A. Zerhouni, M.D. di NIH “che La creazione di questo programma rinforzerà il programma di ricerca interno qui sulla città universitaria di NIH.„

La ricchezza di informazioni spigolata circa il genoma umano negli ultimi anni ha identificato molte dei geni, delle proteine e di altre molecole in questione in vari sistemi biologici. Ma capire come questi pezzi funzionano insieme per produrre il comportamento fisiologico e patologico complesso delle celle e degli organismi non è buono capita. Lo scopo dello PSIIM, che è una componente della Divisione di NIAID della Ricerca Interna (DIR) sotto il comando dell'immunologo Ronald N. Germain, M.D., Ph.D., è di creare un modo chiedere come gli interi sistemi delle molecole, delle celle e dei tessuti interagiscono durante la risposta immunitaria o quando confrontato con un agente infettante.

“L'idea dello PSIIM,„ dice Direttore Anthony S. Fauci, M.D. di NIAID, “è usare la biologia di sistemi per permettere che gli scienziati facciano le domande molto grandi non possono potere completamente indirizzare neppure alcuni anni fa -: come come gli organismi contagiosi invadono le cellule umane, come le tossine essi producono la cella di causa e la distruzione del tessuto e come questi agenti patogeni eludono o manipolano la risposta immunitaria.„

“Una Volta Che capiamo queste interazioni, possiamo prendere le decisioni strategiche circa come interferire con patologia della malattia infettiva o come dirigere le risposte immunitarie per migliorare le infezioni di lotta,„ dice Direttore Kathryn C. Zoon, Ph.D. di DIR, aggiungente che queste nuove comprensioni possono servire da punto di partenza per la progettazione di nuove droghe alle malattie dell'ossequio o lo sviluppo di nuovi vaccini.

Creando i modelli elaborati dal calcolatore delle reti molecolari complesse di interazione, i ricercatori di PSIIM potranno simulare la biologia delle celle, dei tessuti e, finalmente, degli organismi. Il programma egualmente userà gli approcci sperimentali avanzati per determinare quanto queste simulazioni predicono molto attentamente il comportamento reale. Mentre i modelli migliorano, gli scienziati dovrebbero guadagnare la capacità di predire come le droghe ed altri interventi pregiudicheranno una cella o un organismo e se tali trattamenti saranno tollerati dal host mentre combattono l'agente infettante. Sebbene la maggior parte degli studi siano intrapresi con gli agenti patogeni meno pericolosi, gli impianti speciali nel nuovo C. il W. Bill Young Concentrano per la Biodifesa e le Malattie Infettive Emergenti a NIH permetteranno agli scienziati di PSIIM di esaminare tali domande con i microbi che causano le malattie quali l'antrace, i moduli virulenti di influenza, la tularemia e la peste. Il programma incoraggierà la collaborazione fra i ricercatori di NIAID ed altri scienziati sia all'interno che all'esterno da NIH negli sforzi per capire meglio le malattie infettive ed il sistema immunitario.

La pietra angolare del progetto di ricerca di PSIIM è un pacchetto di programmi chiamato Simmune, che permette ai biologi di modellare molti tipi di sistemi biologici. Creato dallo scienziato Martin Meier-Schellersheim di NIAID, dal Ph.D. e dai suoi colleghi, il software permette che uno scienziato usi un'interfaccia grafica semplice per definire facilmente le interazioni fra le diverse molecole in una grande rete, o i comportamenti delle celle in risposta ai segnali esterni. Una Volta Che uno scienziato introduce le informazioni quantitative ottenute tramite le misure del laboratorio, Simmune può poi simulare il comportamento di intera rete di segnalazione o di intera cella. Il software fa questo mediante automaticamente la creazione del modello matematico che comprende le equazioni speciali e poi risolvendo queste equazioni per le circostanze specifiche l'utente ha preso parte al programma.

Prima di Simmune, fare tali modelli matematici spesso ha richiesto a mano i mesi ed ha richiesto l'estesa competenza nella matematica applicata. Inoltre, fare i cambiamenti ad un modello attuale era molto che richiede tempo, che ha limitato la complessità di che cosa potrebbe essere modellato. “Con Simmune, stiamo provando ad autorizzare una vasta gamma di esperti biologici, permettendoli di fare e modificare facilmente i modelli quantitativi dettagliati dei sistemi che biologici hanno studiato in laboratorio per anni. La speranza è che questi modelli forniranno una comprensione più profonda di come i comportamenti complessi sorgono, piombo alle nuove comprensioni nella malattia,„ dice il Dott. Germain. “Uno di grandi vantaggi di Simmune è che dà a biologi un modo fare la matematica difficile stata necessaria per tale modellistica senza dovere realmente essere compreso con la matematica.„

Nella prima prova rigorosa di nuovo software, DRS. Meier-Schellersheim, Germain ed i loro colleghi hanno dimostrato che Simmune può predire esattamente la funzione delle cellule in entrambi tempo e spazio. In un articolo da pubblicare il 21 luglio dalla Biologia Di Calcolo di PLoS del giornale, descrivono come hanno usato il software per modellare un comportamento cella-biologico complicato conosciuto come chemosensing -: un trattamento biologico fondamentale con cui le celle percepiscono e rispondono ai segnali esterni, quali i prodotti chimici infiammatori in questione in una risposta immunitaria. Facendo Uso di Simmune, il gruppo di NIAID ha modellato che cosa accade in una cella stimolata alla distribuzione di una molecola membrana-associata conosciuta come un fosfolipide. La concentrazione del fosfolipide cambia durante chemosensing pricipalmente dovuto l'atto di due enzimi che sintetizzano o ripartono questa molecola. Gli Scienziati avevano ritenuto che la reazione biochimica distruttiva che le guide producessero massimo e concentrazioni in minimo del fosfolipide nelle parti differenti della cella è stato regolamentato attraverso un certo meccanismo sconosciuto che agisce in tutto la cella. Ma un nuovo modello sviluppato con Simmune ha predetto che la concentrazione migliorata di fosfolipide all'estremità “fronta„ della cella (che affronta la sorgente dei segnali chimici) è derivato da una combinazione di due meccanismi conosciuti -: un'attività inibitoria locale molto rapida ed il movimento più lento di un'altra molecola ad una parte distante della cella. I ricercatori di NIAID, che hanno verificato le loro previsioni in laboratorio, trovati che i dati sperimentali hanno abbinato molto da vicino che cosa avevano predetto con Simmune.

La potenza reale del software, il Dott. Meier-Schellersheim aggiunge, è che può fare questo stesso ordinamento di modellistica in quasi tutto il sistema biologico basato a cella. “Questo è uno strumento che può simulare la segnalazione ed i trattamenti cellulari„ lui dice generalmente, “qualsiasi sistema o elaborivi sono interessato.„ A causa dell'utilità generale dell'approccio, PSIIM pianificazione collaborare estesamente con gli scienziati in altri istituti e nei centri di NIH, quale il Centro dell'Istituto Nazionale contro il Cancro per Ricerca Sul Cancro, Contribuire a supportare la ricerca nelle aree quale biologia del cancro che sono fuori del campo di immunità e delle malattie infettive.

http://www.niaid.nih.gov.