Wenn viele an einem Strang, Daten-driven-Modelle können zeigen, wichtige Verhaltensweisen

Biologie ist Reich an Beispielen kollektiven Verhaltens, die aus Herden von Vögeln und Kolonien von Bakterien an die Schulen der Fische und die mobs von Menschen. In einer Studie mit Implikationen aus der Onkologie zur ökologie, Forscher von der Rice University und der Universität von Georgia haben gezeigt, dass die Daten der Wissenschaft freischalten können subtile Hinweise über die einzelnen Ursprünge des kollektiven Verhaltens.

Wenn eine Gruppe von Individuen, die synchron zueinander bewegen, können Sie Muster erstellen, die—wie die Scharen der Vögel oder „die Welle“ in ein Stadion, dass nicht einzelne machen könnte. Während diese emergente Verhalten kann faszinierend sein, es kann schwierig sein, für Wissenschaftler, die null auf die einzelnen Aktionen, bringen Sie über.

„Sie sehen, emergente Verhalten durch den Blick auf die Gruppe eher als das Individuum“, sagte Reis bioengineer Oleg Igoshin, ein theoretischer Biophysiker, verbrachte fast 20 Jahre mit dem Studium emergente Verhalten in Zellen—werden Sie kooperativer Bakterien, Krebszellen oder andere.

In einer Studie online veröffentlicht in dieser Woche in der amerikanischen Gesellschaft für Mikrobiologie journal mSystems, Igoshin und Reis alumnus Zhaoyang, Zhang eine Methode entwickelt, um abzuschätzen, welche Aspekte des individuellen Verhaltens entstehen emergente Verhalten.

Um zu veranschaulichen, sowohl von der Schwierigkeit und der Bedeutung der das Verständnis dieser individuellen Beiträge zum kollektiven Gruppe, Igoshin verwendet das Beispiel von metastasierendem Krebs, wo eine Gruppe von Zellen mit einer bestimmten mutation sind, bewegt sich in Richtung der Oberfläche des Tumors, so können Sie brechen Weg und bilden einen neuen tumor an anderer Stelle.

„Die meisten dieser Zellen scheitern zu entkommen, den ursprünglichen tumor, und die Frage ist, was bestimmt, welche das gelingen wird?“, fragte Igoshin, ein professor von Biotechnik und senior-Wissenschaftler an der Rice Zentrum für Theoretische Biologische Physik. „Was Eigentum ist ein signal für die Entstehung? Ist es, wie schnell Sie sich bewegen? Ist es, wie lange Sie sich bewegen, bevor Sie die Richtung ändern? Vielleicht ist es, wie Häufig Sie zu stoppen. Oder es könnte eine Kombination mehrerer Signale, die jeweils von denen ist zu schwach, um zu bringen über die Entstehung, auf seine eigene, aber, die handeln, um sich gegenseitig stärken.“

Als eine Gruppe, die potentiell metastasierenden Krebszellen teilen einige wichtige Eigenschaften und Fähigkeiten, sondern als Individuen, die Ihre Leistung kann variieren. Und in einer großen population von Zellen, diese performance-Unterschiede können so stark wie die zwischen Sportler und couch-potatoes. Es ist vor allem diese Natürliche variation in der individuellen Leistung, oder der Heterogenität, das macht es so schwierig, in null auf individuelle Verhaltensweisen, die dazu beitragen, emergente Verhalten, Igoshin sagte.

„Auch für die Zellen in einer genetisch homogenen tumor ist, wenn man sich bei Individuen gibt es eine distribution, die einige der Heterogenität in Leistung, die sich aus einigen Personen, die 50% über dem Durchschnitt und die anderen 50% unter dem Durchschnitt“, sagte er. „Die Frage ist also,“ Mit allen von diesem hintergrund Lärm, wie finden wir die schwachen trends oder Signale Zusammenhang mit der Entstehung?'“

Igoshin sagte, die neue Methode nutzt Daten der Wissenschaft zu überwinden, einige Schwächen der traditionellen Modellierung. Durch Auffüllen Ihre Modelle mit experimentellen Daten über die Bewegungen der einzelnen Zellen, Igoshin sagte, er und Zhang, die erhielt seinen Ph. D. von Reis in Kann, vereinfacht die Suche für den individuellen Verhaltensweisen, der Einfluss der Gruppe Verhalten.

Um das Verfahren zu veranschaulichen, die Sie in Partnerschaft mit dem Lawrence Shimkets, dessen Labor an der University of Georgia (UGA) hat Jahre damit verbracht, die Erhebung von Daten über die Einzel-und Gruppen-Verhalten der Genossenschaft Bodenbakterium Myxococcus xanthus.

„Sie sind räuberische Mikroben, aber Sie sind kleiner als viele der Dinge, die Sie Essen,“ Igoshin sagte von M. xanthus. „Sie arbeiten zusammen, wie eine Art von wolf pack, zu umzingeln Ihre Beute und machen die Chemikalien, die wird es töten und verdauen Sie außerhalb Ihrer Körper, verwandelte Sie in Moleküle, die klein genug für Sie zu nehmen.“

In Zeiten von stress, wie wenn die Nahrung knapp, M. xanthus zeigen eine form der emergenten Verhalten, das untersucht wurde, für Jahrzehnte. Wie Schlangen von Autos fließt in eine Stadt in der rush hour, Sie strömen zusammen, um dicht gepackt mounds, die groß genug sind um Sie mit bloßem Auge sehen. Hügel Bildung ist ein früher Schritt in dem Prozess zur Bildung von robusten, langlebigen Sporen, kann wieder der Kolonie, wenn die Bedingungen sich verbessern.

In einer vorangegangenen Studie von UGA ’s Chris Cotter, co-Autor der neuen Studie und ein Doktorand in Shimkets‘ Gruppe, verfolgt individuelle Verhaltensweisen von wild-Typ-Zellen und zusammen mit Igoshin zu entwickeln, die eine Daten-getriebene Modell, das deckt die zelluläre Verhaltensweisen, sind der Schlüssel zur aggregation. In der neuen Studie, die Keil und Zhe Lyu, einem ehemaligen UGA Postdoc-Forscherin nun an der Baylor College of Medicine in Houston, gesammelt Hügel-bilden Daten aus Mischungen der drei Stämme von M. xanthus: eine natürlich vorkommende Wildtyp und beiden Mutanten. Auf Ihre eigenen, die Mutanten waren unfähig, haufenbildung. Aber wenn eine erhebliche Anzahl von wild-Typ-Zellen gemischt wurden mit den Mutanten, Sie wurden „gerettet“, das heißt, Sie integriert die kollektive und nahm Teil in Hügel-Gebäude.

„Einer der Mutanten ist vollständig gerettet, während die anderen nur teilweise gerettet, und das Ziel ist, zu verstehen, wie die Rettung funktioniert“, Igoshin sagte. „Wenn wir die Methodik, wir sahen einige Dinge, die waren unerwartet. Zum Beispiel, für die Mutante vollständig gerettet, könnte man annehmen, dass es verhält sich normal, was bedeutet, dass alle seine Eigenschaften,—seine Geschwindigkeit, seine Verhaltensweisen—werden genau das gleiche wie der Wildtyp. Aber das ist nicht der Fall. Was wir fanden, war, dass die Mutanten besser abgeschnitten als normal in mancher Hinsicht und schlechter in anderen. Und diese kompensieren einander, so dass es erschien, und verhält sich normal.“

Emergente Verhalten in M. xanthus sind gut untersucht, klassische Beispiele. Zusätzlich zu zeigen, dass Ihre Methode zu entsperren, einige der Geheimnisse von M. xanthus‘ Verhalten, Igoshin sagte, die neue Studie zeigt die Methode kann verwendet werden, um zu untersuchen, andere emergente Verhalten, einschließlich derjenigen, die Verwicklung in die Krankheiten und Missbildungen.