Математика може допомогти нам лікувати хвороби і розробляти найкращі вакцини
Інтеграли і інфекції
Яким чином предмет, який ви, ймовірно, вважаєте найбільш складним в старшій школі, пов'язаний із запобіганням близько 887 000 смертей щорічно від вірусної інфекції? Насправді багато, тому що математика - ця складна дисципліна - ключ до розуміння Всесвіту.
Числа і рівняння допомагають нам зрозуміти все, починаючи від візерунків в рослинного життя і до мас далеких зірок. Вони також допомогли нам передбачити форми крихітних вірусів - які можуть бути занадто малі, щоб бачити більшість мікроскопів.
Математика особливо корисна в разі вірусів, тому що білкові оболонки більшості вірусів є по суті геометричними головоломками. Короткі генетичні послідовності вірусів кодують лише кілька чітко виражених білків, але ці білки можуть самоорганізовуватися в безліч різних тривимірних форм. Ці структури використовуються для виготовлення оболонки, яка інкапсулює вірусні гени, утворюючи вірус, який готовий заразити нові організми.
Вчені знали про самосборке вірусів з часу розквіту Уотсона і Крика, але те, як це відбувається в багатьох конкретних віруси, залишається загадкою, яка все ще обговорюється. Фактично, п'ятнадцять років тому, Рейдун трійки, математик з Йоркського університету, Англія, натрапив на лекцію про те, як віруси збирають певну сферичну оболонку, і вона вважала, що це добре пов'язано з проектом, над яким вона вже працювала. Вона вирішила вирішити цю проблему і, таким чином, приступила до нового етапу своїх досліджень.
«Це засвітилося», - сказав Тварок в інтерв'ю журналу Quanta. Вона зрозуміла, що її математика може не тільки показати, як збираються віруси, але і те, як вони заражають клітини і розвиваються. Вона розпочала співпрацю з Пітером Стокле, професором біологічної хімії в Університеті Лідса, Англія, і шлюб математики та біології виявився дуже плідним.
«Ми дійсно розробили цей інтеграційний, міждисциплінарний підхід, - сказав Тварок в інтерв'ю, - де математика управляє біологією, а біологія керує математикою».
Геометрія перемагає мікроби
Незадовго до того, як математика змусила дослідників прийти до висновку, що порядок, який вони виявили на вірусних поверхнях, має вказувати на те, що генетична генетика грає роль - фізичну - в збірці білкової оболонки. Після застосування декількох математичних теорій до проблеми Twarock визначив, що РНК вірусу прилипає до білків, допомагаючи їм сформувати новий вірус.
Команда застосувала цей підхід до вірусів, що становлять особливий інтерес, повідомивши про свої висновки про поширеному вірус в лютому цього року в дослідженні Nature Communications, а потім про вірус HBV, який викликає 887 000 смертей на рік - цього літа в Дослідження мікробіології природи.
І їх дослідження не просто добирало академічне розуміння цих вірусів. «Ми хотіли б вакцинувати людей проти кількох сотень інфекцій», - сказав Стокле журналу Quanta. І то, як вони вивчають цю мету, - це вивчення того, що може бути новим класом вакцин.
В даний час існують два основних типи схвалених вакцин - один, який використовує «мертві» патогени, що не завжди так ефективно, а інше, яке використовує «живі», але ослаблені патогени, що викликає сильніший імунітет, але також створює більш серйозні ризики. Проте, новий вид вакцини, запропонований Стокле, буде використовувати те, що математика виявила про вірусної збірці для створення вірусоподібних частинок. Вони були б досить схожі на фактичний вірус, що вони могли б привести до того ж імунітету, що і «живі» віруси, але без ризику, тому що вони не зможуть заразити клітини.
Такий клас вакцин не тільки зможе захистити людей від вірусу HBV, а й від безлічі інших вірусів, додавши до мільйонів людей, що вакцини вже збережені. І без передових математичних навичок таких людей, як Twarock, такі ліки було б неможливо.
Література: Quanta Magazine, Nature Communications, Nature Microbiology
