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O programa de NIAID aponta modelar respostas imunes e fechar doenças infecciosas

Um programa novo no Instituto Nacional da Alergia e das Doenças Infecciosas (NIAID) aponta compreender melhor as redes bioquímicas complexas que regulam as interacções entre organismos infecciosos e as pilhas humanas ou animais elas contamina.

O Programa na Imunologia dos Sistemas e na Doença Infecciosa que Modelam (PSIIM) empregará uma aproximação nova poderosa chamada biologia de sistemas computacional para desenvolver uma compreensão mais profunda de como os micróbios patogénicos causam a doença e de como o sistema imunitário lhes responde.

“Compreender a complexidade desanimada de sistemas biológicos é o grande desafio e no pioneiro da ciência no século XXI,” diz o Director Elias A. Zerhouni de NIH, M.D. “que A criação deste programa reforçará o programa de investigação interno aqui no terreno de NIH.”

A riqueza de informação recolhida sobre o genoma humano tem identificado nos últimos anos muitas dos genes, das proteínas e das outras moléculas envolvidos em vários sistemas biológicos. Mas compreender como estas partes trabalham junto para produzir o comportamento fisiológico e patológico complexo das pilhas e dos organismos não é boa compreendida. O objetivo do PSIIM, que é um componente da Divisão de NIAID da Pesquisa Interna (DIR) sob a liderança do imunologista Ronald N. Germano, M.D., Ph.D., é criar uma maneira de perguntar como os sistemas inteiros de moléculas, de pilhas e de tecidos interagem durante uma resposta imune ou quando confrontado com um agente infeccioso.

“A ideia do PSIIM,” diz o Director Anthony S. Fauci de NIAID, M.D., “é usar a biologia de sistemas para permitir que os cientistas façam perguntas que muito grandes não podem ter podido endereçar inteiramente mesmo há alguns anos atrás -: como como os organismos infecciosos invadem pilhas humanas, como as toxinas elas produzem a pilha da causa e a destruição do tecido e como estes micróbios patogénicos iludem ou manipulam a resposta imune.”

“Uma Vez Que nós compreendemos estas interacções, nós podemos fazer decisões estratégicas sobre como interferir com a patologia da doença infecciosa ou como dirigir respostas imunes para melhorar infecções da luta,” diz o Director Kathryn C. Zoon de DIR, Ph.D., adicionando que estas introspecções novas podem servir como o ponto de partida para o projecto de drogas novas para tratar doenças ou a revelação de vacinas novas.

Criando modelos de computador de redes moleculars complexas da interacção, os investigador de PSIIM poderão simular a biologia das pilhas, dos tecidos e, eventualmente, dos organismos. O programa igualmente usará aproximações experimentais avançadas para determinar como pròxima estas simulações prevêem o comportamento real. Enquanto os modelos melhoram, os cientistas devem ganhar a capacidade para prever como as drogas e outras intervenções afectarão uma pilha ou um organismo e se tais tratamentos estarão tolerados pelo anfitrião quando lutarem o agente infeccioso. Embora a maioria dos estudos sejam conduzidos com os micróbios patogénicos menos perigosos, as facilidades especiais no C. novo W. Bill Novo Centram-se para o Biodefense e as Doenças Infecciosas Emergentes em NIH permitirão cientistas de PSIIM de examinar tais perguntas com micróbios que causam doenças tais como o antraz, formulários virulentos da gripe, tularemia e praga. O programa incentivará a colaboração entre pesquisadores de NIAID e outros cientistas tanto dentro como fora de NIH nos esforços para compreender melhor doenças infecciosas e o sistema imunitário.

A pedra angular do projecto de investigação de PSIIM é um pacote de software chamado Simmune, que permite biólogos de modelar muitos tipos de sistemas biológicos. Criado pelo cientista Martin Meier-Schellersheim, Ph.D., e seus colegas de NIAID, o software permite que um cientista usem uma relação gráfica simples para definir facilmente as interacções entre moléculas individuais em uma grande rede, ou os comportamentos das pilhas em resposta aos sinais externos. Uma Vez Que um cientista entra a informação quantitativa obtida por medidas do laboratório, Simmune pode então simular o comportamento da rede de sinalização inteira ou de uma pilha inteira. O software faz este automaticamente criando um modelo matemático que envolve equações especiais e então resolver estas equações para o específico condiciona o usuário inscrito no programa.

Antes de Simmune, fazer tais modelos matemáticos à mão frequentemente tomou meses e exigiu a experiência extensiva em matemática aplicada. Além, fazer mudanças a um modelo existente era muito demorada, que limitasse a complexidade do que poderia ser modelado. “Com Simmune, nós estamos tentando autorizar uma escala larga de peritos biológicos, permitindo que facilmente façam e alterem modelos quantitativos detalhados dos sistemas que biológicos estudaram no laboratório por anos. A esperança é que estes modelos fornecerão uma compreensão mais profunda de como os comportamentos complexos elevaram, conduzindo às introspecções novas na doença,” diz o Dr. Germano. “Uma das grandes vantagens de Simmune é que dá a biólogos uma maneira de fazer a matemática difícil necessário para tal modelagem sem ter que realmente ser envolvido com a matemática.”

No primeiro teste estrito do software novo, Afastamento Cilindro/rolo. Meier-Schellersheim, Germano e seus colegas demonstraram que Simmune pode exactamente prever a função da pilha no tempo e no espaço. Em um artigo a ser publicado o 21 de julho pela Biologia Computacional de PLoS do jornal, descrevem como usaram o software para modelar um comportamento pilha-biológico complicado conhecido como chemosensing -: um processo biológico fundamental por meio de que as pilhas detectam e respondem aos sinais externos, tais como os produtos químicos inflamatórios envolvidos em uma resposta imune. Usando Simmune, a equipe de NIAID modelou o que acontece em uma pilha estimulada à distribuição de uma molécula membrana-associada conhecida como um phospholipid. A concentração do phospholipid muda durante chemosensing principalmente devido à acção de duas enzimas que sintetizam ou dividem esta molécula. Os Cientistas tinham pensado que a reacção bioquímica destrutiva que as concentrações de alto e baixo do produto das ajudas do phospholipid em partes diferentes da pilha estiveram reguladas através de algum mecanismo desconhecido que actua durante todo a pilha. Mas um modelo novo desenvolvido com Simmune previu que a concentração aumentada de phospholipid na extremidade “dianteira” da pilha (que enfrenta a fonte de sinais químicos) resultou de uma combinação de dois mecanismos conhecidos -: uma actividade inibitório local muito rápida e o movimento mais lento de uma outra molécula a uma parte distante da pilha. Os pesquisadores de NIAID, que testaram suas previsões no laboratório, encontrados que os dados experimentais combinaram muito pròxima o que tinham previsto com Simmune.

A potência real do software, Dr. Meier-Schellersheim adiciona, é que pode fazer este mesmo meio que modela em quase todo o sistema biológico baseado em celulas. “Esta é uma ferramenta que possa simular a sinalização e processos celulares geralmente,” ele diz, “o que sistema ou o processe está interessado.” Devido ao serviço público geral da aproximação, PSIIM está planeando colaborar extensivamente com os cientistas em outros institutos e em centros de NIH, tais como o Centro do Instituto Nacional para o Cancro para a Investigação do Cancro, para ajudar a apoiar a pesquisa nas áreas tais como a biologia do cancro que são fora do campo da imunidade e de doenças infecciosas.

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