Varför nematodmaskar kan hålla nyckeln till åldrande

Det är lätt att tro att ett friskt ungt hjärta ska slå mer regelbundet än ett gammalt hjärta. Inte så. Många studier har visat att variationen i hjärtfrekvens är en bra indikator på hjärthälsa och äldre, sjukare hjärtan tenderar att visa mindre variation, inte mer.

Variabiliteten ligger i tiden mellan slag. Att plotta denna förändring över tid visar ett tydligt mönster. Hos sjuka människor är takten mer regelbunden. Men hos friska människor är små förändringar mycket vanliga och stora förändringar sker också, om än mer sällan.

Detta mönster är viktigt. Matematiker kallar det en tungsvansad eller maktlagsfördelning, och den har betydande egenskaper. Det kanske mest överraskande är skalinvarians. Hur noga man än studerar en sådan handling, ser den alltid likadan ut. Så variationerna som förekommer på en skala ser exakt likadana ut som variationerna på en annan skala.

Rörelsemönster för nematodmaskar kan nu övervakas av maskinseende system, en teknik som revolutionerar studiet av maskbeteende.

Detta mönster är annorlunda för äldre personer med ömtåligare hjärtan. Och det är inte bara hjärtslag som varierar på detta sätt. Neurala spikmönster och mänskliga gångmönster varierar också på samma sätt med åldern. Och det antyder ett nytt sätt att studera åldrande genom att bättre förstå vilken roll skalinvarians spelar i biologiska processer.

Det finns dock ett problem. Människor är svåra att studera i detta avseende. Åldrandeprocessen tar årtionden, och människor är svåra att övervaka över dessa tidsskalor.

Så forskare skulle verkligen älska att studera karaktären av skalinvarians i mindre komplexa organismer som är lättare att ta hand om. Men existensen av dessa mönster i lägre livsformer har ännu inte fastställts.

Ange Luiz Alves vid Northwestern University i Illinois och några kompisar, som har hittat bevis på fjällinvarianta mönster i beteendet hos nematodmaskar. Dessutom säger dessa killar att mönstren förändras när maskarna åldras och att detta ger ett kraftfullt nytt sätt att studera de biologiska processerna och mekanismerna bakom åldrandet.

Först lite bakgrund. Skalinvarians är uppfattningen att vissa saker ser likadana ut oavsett i vilken skala de ses.

Många saker har den här egenskapen. En kustlinje är skalinvariant eller fraktal – den ser lika ojämn ut oavsett om den undersöks i skalan centimeter, meter eller kilometer. En oändlig rät linje är skalinvariant - det finns inget sätt att veta hur nära du är en sådan linje bara genom att titta på den.

Däremot är rektanglar, bilar och galaxer inte skalinvarianta. Dessa föremål ser helt olika ut beroende på deras avstånd.

Skalinvarians är inte bara begränsad till objekt. Under de senaste åren har fysiker upptäckt massor av fenomen som också är skalinvarierande. Skogsbränder är till exempel skalinvarierande. Det finns många små skogsbränder och några få stora skogsbränder, men förhållandet mellan storlek och frekvens är skalinvariant.

Studera en plot av storleken på bränder mot deras frekvens och det finns inget sätt att skilja mellan stora och små – de följer alla samma mönster. Och det innebär att det finns ett viktigt sätt på vilket skogsbränder är lika.

Fysiker tror att denna likhet grundar sig i hur bränder sprids genom nätverket av länkar mellan träd. En brand kan bara spridas när dessa länkar är på plats. Men nätverket förändras hela tiden när träd växer och dör bort.

Och det betyder att det inte finns något sätt att veta hur stor en brand kommer att bli när den startar – storleken beror på nätverkets natur i det ögonblicket.

Det har stora konsekvenser för vår förståelse av orsak och verkan. Skogsbränder kan startas av en herrelös cigarett eller en slarvigt kasserad tändsticka. Men deras slutliga storlek har ingenting att göra med denna trigger. Det beror på nätverket. Faktum är att skalinvarians i komplexa fenomen är intimt kopplat till nätverksvetenskap.

Ta storleken på jordbävningar, som också är skalinvariant. Det relevanta nätverket här är hur krafter överförs genom stenar - det är detta som avgör skalvets slutliga storlek.

Krig är också skalinvariant (mätt som antalet dödsfall). Här är det relevanta nätverket hur sociala, militära och politiska influenser sprids genom en region. Detta förändras ständigt av otaliga skäl. Det innebär att den som startar ett krig i princip inte kan veta hur stort det kommer att bli. Och den utlösande incidenten är inte viktigare för att fastställa det slutliga antalet dödsfall än storleken på tändstickan som startar en skogsbrand avgör hur långt den sprider sig.

Men vad är det relevanta nätverket som leder till skalinvarians i biologiska system? Ingen är helt säker, varför förmågan att studera det i nematodmaskar kan vara så viktig.

De nya experimenten som visar skalinvarians är enkla. Alves och co börjar med vanliga nematodmaskar, Caenorhabditis elegans , alla födda på samma dag och odlade under identiska förhållanden i labbet.

Teamet använde sedan ett maskinseendesystem för att spåra rörelsen av 10 till 15 av dessa maskar i ett slutet utrymme vid 20 °C. De upprepade dessa observationer när maskarna åldrades över sex dagar och även när temperaturen ökade för att simulera stress.

C. elegans lever vanligtvis cirka två till tre veckor, så experimentets sex dagar motsvarar att observera en mänsklig ålder från tonåren till medelåldern. Våra jämförelser görs för den mänskliga motsvarigheten till en 15-åring och en 40-åring, säger Alves och co.

Resultaten ger intressant läsning. Nematodmaskar rör sig inte i enkla raka linjer och inte heller alla rör sig på samma sätt, trots sin identiska uppväxt. Istället rör de sig, stannar sedan, går sedan baklänges, reser längre sträckor och så vidare.

Detta mönster liknar en slumpmässig promenad, eller Levy-flygning, och är välkänt för djurbeteendeister. Den består av massor av korta resor och ett mycket mindre antal längre traverser. Många djur följer detta mönster när de letar efter mat.

Det avgörande är att längden på resan som ritas ut mot frekvensen är skalinvariant eller fraktal, precis som kustlinjer, storleken på skogsbränder, krig och mänskliga hjärtslagsvariationer.

Dessutom säger Alves och co att denna skalinvarians förändras på ett mätbart sätt när maskarna blir äldre eller upplever mer stress. Dessa förändringar är resultatet av många faktorer som äggläggning, partnersökning, matsökning och så vidare.

Men nyckeln är att de förändras över tid eller med stress på mätbara sätt. Vi finner statistiskt signifikanta skillnader i fraktalbeteendet hos motiliteten hos C. elegans för olika åldrar och stressnivåer, i likhet med vad som har rapporterats för mänsklig fysiologi, säger Alves och co. Våra resultat tyder på att likheten med människans åldrandeprocess är djupare än man tidigare trott.

Det är en intressant slutsats som öppnar vägen för en ny attacklinje i studien av åldrande. vi tror att C. elegans kan användas för att studera hur fraktal dynamik skapas av de regulatoriska processerna i fysiologiska system och ge insikter i de grundläggande processer som krävs för att upprätthålla en hälsosam fysiologi trots åldrande och stress, säger teamet.

C. elegans är unikt lämpad för denna typ av arbete som en av de bäst studerade varelserna på jorden. Den har en enkel kroppsstruktur med 302 neuroner och ett välkaraktärt genom på 100 megabaser. Som jämförelse har det mänskliga genomet cirka 3,6 gigabaser. Men konstigt nog är 40 procent av nematodgener homologer med mänskliga.

Det ger upphov till intressant forskning. Alves och co har satt upp ett ambitiöst mål med ett värdigt mål. Vi ser fram emot att följa framstegen.

Ref: arxiv.org/abs/1705.03318 : Long-Range Correlations and Fractal Dynamics in C. Elegans: Changes with Aging and Stress

Dölj