211service.com
Waarom nematodenwormen de sleutel tot veroudering kunnen zijn?
Het is gemakkelijk om te denken dat een gezond jong hart regelmatiger zou moeten kloppen dan een oud hart. Niet zo. Talrijke onderzoeken hebben aangetoond dat de variabiliteit in de hartslag een goede indicator is voor de gezondheid van het hart en oudere, ziekere harten vertonen doorgaans minder variabiliteit, niet meer.
De variabiliteit zit in de tijd tussen de beats. Het plotten van deze verandering in de tijd laat een duidelijk patroon zien. Bij zieke mensen is het ritme regelmatiger. Maar bij gezonde mensen komen kleine veranderingen heel vaak voor en ook grote veranderingen, zij het minder vaak.
Dit patroon is belangrijk. Wiskundigen noemen het een zwaarstaart- of machtswetverdeling, en het heeft belangrijke kenmerken. Misschien wel de meest verrassende is schaalinvariantie. Hoe goed je zo'n plot ook bestudeert, het ziet er altijd hetzelfde uit. Dus de variaties die op de ene schaal voorkomen, zien er precies hetzelfde uit als de variaties op een andere schaal.
De bewegingspatronen van nematodenwormen kunnen nu worden gevolgd door machine vision-systemen, een technologie die een revolutie teweegbrengt in de studie van wormgedrag.
Dit patroon is anders voor oudere mensen met een kwetsbaarder hart. En het is niet alleen de hartslag die op deze manier varieert. Neurale piekpatronen en menselijke looppatronen variëren ook op dezelfde manier met de leeftijd. En dat suggereert een nieuwe manier om veroudering te bestuderen door beter inzicht te krijgen in de rol die schaalinvariantie speelt in biologische processen.
Er is echter een probleem. Mensen zijn in dit opzicht moeilijk te bestuderen. Het verouderingsproces duurt tientallen jaren en mensen zijn moeilijk te volgen over deze tijdschalen.
Dus onderzoekers zouden dolgraag de aard van schaalinvariantie willen bestuderen in minder complexe organismen die gemakkelijker te verzorgen zijn. Maar het bestaan van deze patronen in lagere levensvormen moet nog worden vastgesteld.
Voer Luiz Alves van de Northwestern University in Illinois en een paar vrienden in, die bewijs hebben gevonden van schaalinvariante patronen in het gedrag van nematodenwormen. Bovendien zeggen deze jongens dat de patronen veranderen naarmate de wormen ouder worden en dat dit een krachtige nieuwe manier biedt om de biologische processen en mechanismen achter veroudering te bestuderen.
Eerst wat achtergrond. Schaalinvariantie is het idee dat sommige dingen er hetzelfde uitzien, ongeacht de schaal waarop ze worden bekeken.
Veel dingen hebben deze eigenschap. Een kustlijn is schaalinvariant of fractaal - het ziet er even gekarteld uit, of het nu wordt onderzocht op de schaal van centimeters, meters of kilometers. Een oneindige rechte lijn is schaalinvariant - je kunt niet weten hoe dicht je bij zo'n lijn bent door er simpelweg naar te kijken.
Daarentegen zijn rechthoeken, auto's en sterrenstelsels niet schaalinvariant. Deze objecten zien er heel anders uit, afhankelijk van hun afstand.
Schaalinvariantie is niet alleen beperkt tot objecten. In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen veel fenomenen ontdekt die ook schaalinvariant zijn. Bosbranden zijn bijvoorbeeld schaalinvariant. Er zijn veel kleine bosbranden en een paar grote bosbranden, maar de relatie tussen grootte en frequentie is schaalinvariant.
Bestudeer een grafiek van de grootte van branden tegen hun frequentie en er is geen manier om onderscheid te maken tussen grote en kleine branden - ze volgen allemaal hetzelfde patroon. En dat impliceert dat er een belangrijke manier is waarop bosbranden allemaal hetzelfde zijn.
Natuurkundigen denken dat deze overeenkomst is gebaseerd op de manier waarop branden zich verspreiden via het netwerk van verbindingen tussen bomen. Een brand kan zich alleen verspreiden als deze schakels aanwezig zijn. Maar het netwerk verandert voortdurend naarmate bomen groeien en afsterven.
En dat betekent dat er geen manier is om te weten hoe groot een brand zal worden wanneer deze begint - de grootte hangt af van de aard van het netwerk op dat moment.
Dat heeft grote implicaties voor ons begrip van oorzaak en gevolg. Bosbranden kunnen ontstaan door een verdwaalde sigaret of een achteloos weggegooide lucifer. Maar hun uiteindelijke grootte heeft niets te maken met deze trigger. Dat hangt van het netwerk af. Schaalinvariantie in complexe fenomenen is inderdaad nauw verbonden met netwerkwetenschap.
Neem de grootte van aardbevingen, die ook schaalinvariant is. Het relevante netwerk hier is de manier waarop krachten door rotsen worden overgebracht - dit is wat de uiteindelijke omvang van de aardbeving bepaalt.
Oorlogen zijn ook schaalinvariant (gemeten aan de hand van het aantal doden). Hier is het relevante netwerk de manier waarop sociale, militaire en politieke invloeden zich door een regio verspreiden. Dit verandert voortdurend om talloze redenen. Het houdt in dat iedereen die een oorlog begint in principe niet kan weten hoe groot die zal worden. En het veroorzakende incident is niet belangrijker bij het bepalen van het uiteindelijke aantal doden dan de grootte van de wedstrijd die een bosbrand veroorzaakt, bepaalt hoe ver het zich verspreidt.
Maar wat is het relevante netwerk dat leidt tot schaalinvariantie in biologische systemen? Niemand is er helemaal zeker van, daarom kan het zo belangrijk zijn om het in nematodenwormen te bestuderen.
De nieuwe experimenten die schaalinvariantie aantonen, zijn eenvoudig. Alves en co beginnen met standaard aaltjeswormen, Caenorhabditis elegans , allemaal op dezelfde dag geboren en onder identieke omstandigheden in het laboratorium gekweekt.
Het team gebruikte vervolgens een machine vision-systeem om de beweging van 10 tot 15 van deze wormen in een afgesloten ruimte bij 20 ° C te volgen. Ze herhaalden deze waarnemingen terwijl de wormen ouder werden dan zes dagen en ook toen de temperatuur toenam om stress te simuleren.
C. elegans leven meestal ongeveer twee tot drie weken, dus de zes dagen van het experiment komen overeen met het observeren van een menselijke leeftijd van adolescentie tot middelbare leeftijd. Onze vergelijkingen zijn uitgevoerd voor het menselijke equivalent van een 15-jarige en een 40-jarige, zeggen Alves en co.
De resultaten zorgen voor interessante lectuur. Nematodenwormen bewegen niet in eenvoudige rechte lijnen en ze bewegen ook niet allemaal op dezelfde manier, ondanks hun identieke opvoeding. In plaats daarvan bewegen ze, stoppen dan, gaan dan achteruit, reizen langere afstanden, enzovoort.
Dit patroon is vergelijkbaar met een willekeurige wandeling of Levy-vlucht en is bekend bij dierengedragsdeskundigen. Het bestaat uit veel korte ritten en een veel kleiner aantal langere reizen. Veel dieren volgen dit patroon bij het zoeken naar voedsel.
Cruciaal is dat de lengte van de reis die is uitgezet tegen de frequentie schaalinvariant of fractaal is, net als kustlijnen, de grootte van bosbranden, oorlogen en variaties in de menselijke hartslag.
Bovendien zeggen Alves en co dat deze schaalinvariantie op een meetbare manier verandert naarmate de wormen ouder worden of meer stress ervaren. Deze veranderingen zijn het resultaat van vele factoren, zoals het leggen van eieren, het zoeken naar een partner, het foerageren van voedsel, enzovoort.
Maar het belangrijkste is dat ze in de loop van de tijd of met stress op meetbare manieren veranderen. We vinden statistisch significante verschillen in het fractale gedrag van de motiliteit van C. elegans voor verschillende leeftijden en stressniveaus, vergelijkbaar met wat is gerapporteerd voor de menselijke fysiologie, zeggen Alves en co. Onze resultaten suggereren dat de gelijkenis met het menselijke verouderingsproces dieper is dan eerder werd gedacht.
Dat is een interessante conclusie die de weg opent naar een nieuwe aanvalslinie in de studie van veroudering. wij geloven dat C. elegans kan worden gebruikt om te bestuderen hoe fractale dynamiek wordt gecreëerd door de regulerende processen van fysiologische systemen en om inzicht te geven in de fundamentele processen die nodig zijn om ondanks veroudering en stress een gezonde fysiologie te behouden, aldus het team.
C. elegans is bij uitstek geschikt voor dit soort werk als een van de best bestudeerde wezens op aarde. Het heeft een eenvoudige lichaamsstructuur met 302 neuronen en een goed gekarakteriseerd genoom van 100 megabasen. Ter vergelijking: het menselijk genoom heeft ongeveer 3,6 gigabase. Maar merkwaardig genoeg is 40 procent van de nematodengenen homologen met die van mensen.
Dat zet de toon voor een interessant onderzoek. Alves en co hebben zichzelf een ambitieus doel gesteld met een waardig doel. We kijken ernaar uit om de voortgang te volgen.
Referentie: arxiv.org/abs/1705.03318 : Lange-afstandscorrelaties en fractale dynamiek in C. Elegans: veranderingen met veroudering en stress