Symmetrimetoder ger förbättrade modeller för att förstå åldrande

​Matematisk modellering ska ge fler svar, enklare och snabbare än praktiska experiment kan ge, annars är det ingen idé att modellera. Problemet är att olika modeller kan ge olika resultat. Det visar inte minst de många modellerna under coronapandemin. En avhandling från Göteborgs universitet visar nu att man med symmetrimetoder kan avgöra vilken modell som stämmer bäst med verkligheten.

Johannes BorgqvistFör att konstruera en modell som på ett riktigt bra sätt kan visa hur verkligheten fungerar, behöver man ta hänsyn till så kallade symmetrier som motsvarar olika fysikaliska egenskaper. De biologiska processerna som ska studeras kan vara svåra att få syn på, till och med i experiment på labb.

Johannes Borgqvist, doktorand vid institutionen för matematiska vetenskaper, har visat att det går att introducera symmetrimetoder i matematiska mekanistiska modeller och på det sättet hitta korrekta underliggande mekanismer. Han har visat detta genom en enkel reaktion där en ursprungsmolekyl omvandlas till en annan, med hjälp av ett enzym som katalyserar processen.

– Även om man vet precis hur reaktionen går till och vilket av tre möjliga enzymer som medverkar i reaktionen, går det inte med klassiska statistiska metoder att säga vilken av flera modeller som återger verkligheten korrekt. Om man däremot introducerar symmetrimetoder, kan man få reda på att enzymet, som bidrar till reaktionen, måste binda till flera ursprungsmolekyler samtidigt för att fungera. Den informationen får man inte fram i traditionella matematiska modeller, säger Johannes Borgqvist, institutionen för matematiska vetenskaper, Göteborgs universitet.

Använt jäst för att utveckla modeller

Illustration av Johannes Borgqvists forskningJohannes Borgqvist har i sitt avhandlingsarbete använt jäst som modellorganism för att utveckla två mekanistiska, matematiska modeller av två olika processer viktiga för åldrande.

Med den ena modellen kan man förutspå jästcellens hela livsspann från det att den knoppas av från sin modercell till dess att den dör. Under denna tid blir cellen större och allt fler skadade proteiner ansamlas, vilket till sist gör att cellen inte kan upprätthålla de nödvändiga livsprocesserna längre.

Den andra är en rumslig modell som beskriver hur ett protein (Cdc42) ansamlas på en speciell plats på cellens yta, just där en dottercell ska knoppas av.

– För både livsspann och Cdc42-polarisering i jästceller finns redan många modeller, men våra är bättre eftersom vi har gjort bättre underliggande antaganden. Jag kan däremot inte säga att de inte skulle kunna bli ännu bättre. Att införa symmetrimetoder från början skulle göra att viktiga biologiska egenskaper fångas upp, och på det sättet skulle modellerna bli bättre på att  förutspå framtida okända scenarier. Detta hoppas jag kunna göra i min fortsatta forskning. 

Jästceller fungerar väl som modellorganism

Processer som har med cellers åldrande att göra är väl konserverade genom evolutionen. Därför är det inte konstigt att välja just jäst som modellorganism.

– Även om vi människor inte förökar oss genom avknoppning, är våra celler rätt lika jästens när det gäller basala mekanismer. Människans protein Cdc42 till exempel, är till 83 procent identisk med jästens. Att konstruera en bra modell som visar vilka faktorer som styr jästcellers åldrande är därför intressant också för att förstå mänskligt åldrande.

Wenner-Gren Fellow

Johannes fick i förra veckan ett anslag från Wenner-Gren Stiftelserna, ett så kallat Wenner-Gren Fellow-stipendium för postdoktoral utbildning. Några unga forskare ges varje år genom detta en möjlighet till kvalificerad postdoktoral utbildning utomlands under tre år. Med start i december kommer Johannes att arbeta på Mathematical Institute vid Oxfords universitet. Där kommer han att utveckla teorin för symmetrimetoder som introducerades i avhandlingen och använda dessa för att beskriva egenskaper hos så kallade reaktionsdiffusionmodeller, bestående av partiella differentialekvationer som beskriver cellmigration. Cellmigration som beskriver hur vissa celler rör sig är viktigt inom embryoutveckling, sårläkning och cancer.


Kontakt: Johannes Borgqvist, institutionen för matematiska vetenskaper, Göteborgs universitet, e-post: johborgq@gmail.com, mobilnummer är 0739-93 39 64

Avhandlingens titel: The construction, analysis and validation of mechanistic mathematical models of protein kinetics in the context of replicative ageing in budding yeast

Länk till avhandlingen: http://hdl.handle.net/2077/64055

Handledare Marija Cvijovic


Text: Carina Eliasson
Foto: Nina Jarlholt
Illustration: Matilda Stävenborg

Publicerad: må 22 jun 2020.