O estudo de UGA fornece a primeira evidência de pulsos de disparo biológicos em pilhas individuais

Um dos fenômenos os mais familiares da natureza é natação dos peixes do comportamento colectivo nas escolas, locustídeo que marcham junto, congregação dos pássaros. A mesma coisa acontece nos seres humanos, com as pilhas individuais que sincronizam em ritmos circadianos, peça de um pulso de disparo biológico que diga a nossos corpos quando comer, dormir ou reproduzir.

Como isto acontece é algo de um mistério, mas a pesquisa nova da universidade da geórgia derrama a luz nesta pergunta, com uma equipe conduzida por Jonathan Arnold que fornece a evidência pela primeira vez que as pilhas individuais têm pulsos de disparo.

O comportamento colectivo é uma área de pesquisa relativamente nova, na parte porque exige tão muitas disciplinas que trabalham junto, mas as implicações não estão necessariamente em áreas novas, com o muitos que caem sob a saúde pública e a medicina. A aflição que seu corpo sente após a viagem e a interrupção de seu ritmo circadiano usual tem conseqüências se persiste ao longo do tempo, como faz para pilotos e comissários de vôo. Os povos que trabalham SHIFT de balanço enfrentam edições similares.

As associações foram mostradas entre o pulso de disparo e o tratamento contra o cancro, e o maior conhecimento do pulso de disparo tem o potencial para endereçar condições como a síndrome do pôr-do-sol, que faz com que os pacientes idosos com demência ou Alzheimer se tornem agitado ou confuso no fim da tarde e na noite.

A equipe de Arnold isolou as pilhas individuais do crassa do Neurospora, um tipo de molde de pão cor-de-rosa, e encontrou as três propriedades que indicam a presença de um pulso de disparo: a capacidade para restaurar-se em resposta à luz; a capacidade para manter o tempo apesar das flutuações da temperatura; e ritmo circadiano, que regula processos internos sobre um ciclo diário.

“Estas são as propriedades fundamentais de um pulso de disparo biológico, mas até aqui, ninguém tem-no mostrado que estas propriedades guardaram verdadeiro para únicas pilhas,” disse.

A pesquisa da equipe foi publicada no acesso de IEEE, em um jornal interdisciplinar par-revisto do aberto-acesso do instituto de elétrico e em engenheiros electrónicos.

O pulso de disparo pode igualmente ser explorado fazendo a terapêutica biológica e mantimentos químicos, de acordo com Arnold, professor da genética na faculdade de Franklin das artes e das ciências.

“Segundo os organismos usados, você precisa de capitalizar no seu pulso de disparo-como o comportamento para certificar-se de você obter muito material que você está tentando obter feito,” disse.

Uma outra aplicação está usando a natureza para inspirar tipos novos das aproximações da engenharia que constroem enxames robóticos, por exemplo.

“Que se você tem milhares de robôs que você está tentando conseguir cooperar?” Arnold disse. “Alguns dos princípios que puderam fazer que o trabalho está indo sair de projectos como este.”

Em março de 2020, o instituto de UGA da bioinformática hospedará um simpósio no comportamento colectivo que explorará estas perguntas e mais.

Arnold começou a trabalhar na parte traseira celular do pulso de disparo em 1999, colaborando com o Heinz-Bernd Schüttler, um professor da física na faculdade de Franklin. Em 2004, receberam uma concessão do National Science Foundation para desenvolver novas ferramentas na biologia de sistemas para caracterizar o pulso de disparo. Esse projecto continua, mas ramificaram desde para fora (com o financiamento adicional do NSF) para examinar o que está acontecendo em únicas pilhas.

A fim procurarar por estas propriedades em pilhas individuais, Arnold e Schüttler estabeleceram uma equipe multidisciplinar com faculdade de quatro laboratórios; genética, física, engenharia e bioquímica.

Leidong Mao, professor na faculdade de UGA da engenharia e no membro do centro regenerative da ciência biológica, desenvolveu os dispositivos microfluidic usados para examinar pilhas em escalas diferentes.

A maioria de estudos foram feitos em uma pessoa ou em um organismo inteiro, de acordo com Arnold. A equipe de UGA desenvolveu uma escala de medida diferente, usar-se tanta como como quatro dispositivos diferentes.

“Não há um dispositivo que está indo dar todas as respostas que você quer,” ele disse. “É por isso projetar é tão importante porque você tem que desenvolver maneiras novas de endereçar perguntas diferentes.”

A equipe igualmente aumentou o número médio de pilhas examinadas. A maioria de estudos olham centenas ou talvez mil pilhas no máximo, Arnold disse. Sua equipe olhou mais de 40.000 pilhas para compreender quanto variação estou presente e o que aconteceu à variação como as pilhas começam se comunicar um com o otro.

“Este é um jogo de números,” disse. “Você tem que poder olhar isso muitas pilhas para ver realmente como a sincronização está ocorrendo.”

Com a presença de pulsos de disparo nas únicas pilhas estabelecidas, a equipe continua seu trabalho com o objectivo de explicar como os pulsos de disparo sincronizam nas pilhas. Há duas teorias preliminares. Um é uma teoria física que propala; um ritmo externo, como um rufo irregular pode sincronizar os pulsos de disparo das pilhas. A outro é uma teoria química que sugere que as pilhas enviem um sinal entre si coordenar seu comportamento.

Um outro membro da equipa, arte Edison, aplicará sua experiência da bioquímica para explorar perguntas sobre a sinalização química nas pilhas. Edison é erudito de Alliance da pesquisa de Geórgia e professor eminentes da bioquímica e da biologia molecular na faculdade de Franklin. A equipe igualmente inclui alunos diplomados das estatísticas, da bioinformática, da química, da física, das genéticas, da engenharia e da entomologia.

O “sucesso neste campo depende das disciplinas muito diferentes que vêm junto fazê-lo acontecer,” Arnold disse.