Digitalkonstruktion der menschlichen Geweben

  Mathematischer Aufbau und Evolution der menschlichen Zelle, Geweben und Organe—und seiner Pathophysiologie—„von Grund Auf“

 

Hallo, meine Freunde, Kollegen und neugierige Passanten auf dieser Seite.  Ich heiße Dr. J. (Jacob) Wes Ulm.  Ich bin zurzeit Assistenzarzt in der Kinderheilkunde in California, aber ich hab’ auch neulich auf Harvard Medical School mein Staatsexamen gemacht, wo ich 2006 meinen Universitätsabschluss als MD/PhD (mit Forschung in Virologie und Gentherapie) verdient habe. 

 

Selbst-Entwickelnden Differentialgleichungen und Computer-Kode—Die Werkzeuge, eine Zelle zu bauen

 

Seit mehr als 6 Jahre—mit Beginn ungefähr in der Mitte meines PhD Programms-- hab’ ich ein ganz großes Interesse aufgezogen, in der Möglichkeit, eine Menschliche Zelle wesentlich „von Grund auf“ zu entwickeln und aufzubauen.  Das heißt, ich will mit elementaren Komponenten anfangen, dann mathematische „Auswahlsregeln“ wiederholt und rekursiv anwenden (und sie sich selbst fein abstimmen), um eine menschliche eukaryotische Zelle mit vollen selbst-aufrechterhaltenden Fähigkeiten zu schaffen. 

 

Spezifisch bedeutet das hier:  Ich will mit wesentlich mathematischen Darstellungen der gründlichen Makromolekülen der eukaryotischen Zelle (Aminosäuren und Proteinen, Nukleotiden, Lipiden, und Kohlenhydraten) anfangen, dann variierende Auswahlsregeln—beide „positive“ und „negative“ Auswahlsregeln—anwenden, um die Zelle selbst (mindestens ihre mathematische Vorstellung) zu erzeugen und allmählich zu entwickeln, und danach auch Geweben und Organe in ähnlichen Weisen zu erzeugen.  Im Grunde wird die resultierende mathematische Struktur—wie ein Computerprogramm—als Muster für die Zelle, ihre Komponenten, und ihre Selbstregulation (d.h. ihre allgemeine Homöostase) diene. 

 

Um Pathophysiologie und Krankheiten zu modellieren—und ihre Therapien zu forschen

 

Auch sehr wichtig, wird dieses System als Vorlage dienen, um die Ursprunge von Pathophysiologie ganz präzis zu vertreten.  Wie wird unsere anders wohlerzogene menschliche Zelle eine Krebszelle?  Wie reagiert sie unter Angriff pathogenischen Bakterien w.z.B. Staph oder Strep, oder exogenösen Toxine?  Wie entwickeln und vertreten wir fundamentalen zellularen Eigenschaften wie die Zellteilung, die Apoptose, die Wanderung der Stammzellen, und die Differenzierung?  

 

Mit solchen mathematischen Vorbilden vorhanden, und auch mit eine sehr genaue Geschichte (tatsächlich eine präzise mathematische Beschreibung) ihrer Evolution und die Abweichen der Pathologie, so hätten wir ein sehr kraftvolles Werkzeug, um menschlichen Zellen, Geweben, und Organe genau zu studieren—und diagnostichen und therapeutischen Interventionen schneller zu entwickeln.  Tatsächlich stelle ich mich sowie eine „Werkzeugausrüstung“ vor, um Fortschritte besonders in Fächern wie Gentherapie (und andere Forme Molekülartherapie) und Gewebezüchtung zu erleichtern.  Das Projekt soll wirklich als „Roadmap“ dienen, um die Ausgangspunkt eine spezifische Form Pathophysiologie und Dekompensation genau zu identifizieren, und auch wie diese Störung zu reparieren.  

 

Eine grobe Analogie wäre die Beziehung zwischen den Genotyp—d.h. die Information-tragende Einheit einer Zelle—und den Phenotyp, d.h. das Außere der Zelle, der vom Ausdruck des Genotyps folgt.  Eine andere Analogie wäre die Rechnersimulationen von sehr komplexen graphischen Umwelten, um eine „Virtuellwelt“ zu bilden, die eine sehr starke und offenbare physikalische Gegenwart hat.  Z.B. die Grafik-Enginen, Spiel-Enginen, und Episode-Karten von jetzt sehr populären PC-Spielen (w.z.B. die „Half-Life“ Serie) bestehen grundliegend aus Kode, der in einer üblichen Computersprache (und deshalb auch in der Assemblersprache einer spezifischen Computermarke) geschrieben wird.  Durch die Kompilierung dieser ursprunglichen Daten übersetzen wir die Kode um eine sehr komplexen und interaktiven graphischen Welt zu erzeugen, die wir auf dem Bildschirm sehen.  Durch die Wechselbeziehung des Kodes und der graphischen Welt, die der Kode auf Kompilierung (und Ausführung) erzeugt, können wir den Kode des Programms rational und präzis manipulieren, um die resultierende Welt zu studieren und verändern.

 

Die evolutionare Geschichte der Zelle und den Geweben aufzuschliessen—der Schlüssel, neue Molekülartherapien zu finden

 

In diesem Projekt sind der Kode (mathematische Vorstellungen der Molekülen) und die resultierende Welt (die Zelle, das Gewebe und das Organ) dynamisch verbindet, um die führbare und beobachtbare Evolution zu erfordern und zu leisten.  Dieses System deshalb versorgt uns mit einer dynamischen, leicht erreichbaren  „Hintertür“, um die Natur der Zelle und ihr Benehmen zu beobachten.  Natürlich normalerweise in den biologischen Wissenschaften, studieren wir die ganze Säugetier-Zelle selbst—die komplexe Struktur, schon seit Milliarden von Jahren entwickelt und so kompliziert geworden.  Aber diese übliche Methode versteckt viel fundamentale Information der Zelle—besonders im Bezug auf die evolutionare Geschichte der Zelle. 

 

Es ist genau diese Geschichte, die wir am meisten brauchen, um den Kern einer spezifischen Form von Pathophysiologie zu entwirren, und auch zu behandeln!

 

Dieses Projekt bietet uns eine Alternative:  Anstatt die schon entwickelte und ganze Zelle zu studieren und dann reduktionist analysieren, werden wir selbst Zellingenieuren und Zellschaffer werden—wir rekapitulieren das zellulare Evolutionsverfahren sich selbst, nur beschleunigt, und diesmal können wir jede Stufe aufzeichnen und beobachten.  Auch können wir total neue Eigenschaften und jetzt unbekannte und unbeschriebene Phänomen entdecken, als sie in den verschiedenen Evolutionsstufen erscheinen.  Der Zweck ist wesentlich so wie eine sehr detaillierte und genaue Karte zu ebener Erde zu haben; tatsächlich eine Karte, die uns spezifisch zeigt, wie eine zellulare Störung (und eine resultierende Krankheit) molekülweise erscheint, und wie dann, diese Krankheit auch molekülweise zu korrigieren. 

 

Tatsächlich soll unser System, die uns die Evolution immer komplexere Zellen und Geweben ermöglicht, auch die schnelle Evolution neuer Molekülartherapien auch ermöglichen.  Genau wie die mathematischen Darstellungen unser Makromolekülen, Organellen, und Zellen entwickeln sich in unseren simulierten Umwelt, so auch können wir die Evolution unserer Therapien—durch ihre eigene mathematische Darstellungen—richten.

 

Spezifische Projekte, und die wichtigsten Teilnehmer dieser Kollaboration: Sie, und Ihre Vorschläge

 

In Zusammenfassung ist das Projekt teilweise eine Bemühung, um die mathematische und logische Verhältnisse von komplexen biologischen Systeme, besser zu definieren.  Teilweise ist es auch eine Untersuchung, um die Faktoren, die die Entwicklung solcher Systeme beinfliessen, zu isolieren und herauszufinden.  Teilweise ist es auch eine praktische kollaborative Bemühung, um die Pathophysiologie von Krebs, ansteckenden Krankheiten, Autoimmunerkrankungen, und anderen wichtigen Krankheitsklassen, besser zu charakterisieren, und dann Therapien dafür zu entwickeln.  Grundlagenwissenschaft und innovative angewandte Forschung. 

 

Im Kern des Projekts ist natürlich die Evolution der Zelle (und dann die Geweben und Organe) selbst.  Dafür brauchen wir zuerst die mathematischen Elementen selbst, und auch ihre resultierende Strukturen, die in unsere simulierte evolutionarische Umwelt existieren—die mathematischen Äquivalenten von den Makromolekülen (Proteinen, Nukleotiden usw.), dann die Organellen w.z.B. das Mitochondrium, das Golgi-Apparat, der Zellkern usw.  Um die Evolution immer mehr komplexere Strukturen zu modellieren, brauchen wir sowie ein „Entwicklerprogramm“ (the „Evolver“), um die Änderungen einzuführen, und auch ein „Wählungsprogramm“ (the „Selector“), um die Evolution der Zelle zu richten.

 

Im Aufbau unserer Zelle, können wir dann einige interessante medizinische Fragen untersuchen, w.z.B.:

  1. Was sind die Bedingungen, molekülweise, wodurch unsere Zelle ihre Regulation verliert, und sich in eine Krebszelle verwandelt?  Und wenn wir diese Verwandlungen sehr präzis mathematisch beschreiben und modellieren, wie sollen war dann die Molekülartherapie am wirksamsten entwickeln?  Letzten Endes ist der Krebs wie eine Form von „Informationskrieg“—mit der Information, die die Krebszellen enthalten, die diversere Information die umliegende Geweben wegdrängen.  In der simulierte evolutionare Umwelt, die hier beschrieben wird, untersuchen wir den Krebs doch auf dem Nivel der Informationwettbewerb selbst.
  2. Wie modellieren wir Virusen in unserem System, und außer den pathogenischen Virusen, wie modellieren wir nutzbare Virusen oder „Viroiden“ wzB die Virusen, die man in Gentherapie verwendet?
  3. Wie können wir die embryonische und fötalen Entwicklung verschiedene Geweben und Organe vertreten?  Ein sehr faszinierender Begriff in Biologie und auch in Chemie und Physik ist „Emergenz“—die Maniere, wodurch ganz neue Eigenschafte eines Systems auf höheren Organisationsniveaus erscheinen, die nicht auf niedriger Niveaus offenbar sind.  Die Komplexität einer Zelle ist nicht durch ihre einzelne Komponenten offenbar; die Komplexität, Funktion, und Fähigkeiten des Nervensystems ist nicht durch die einzelnen Neuronen und ihre synaptischen Anschlüsse vorhersagbar.  Das Emergenz ist tatsächlich einer der fundamentalsten—und auch wenig-studierten—Phänomen der Natur.  Mit unserem evolutionaren System, können wir die „Emergenzpunkten“ genauer festlegen.  Spezifisch:  Was sind die Regeln und die Genausdruckskontrollefaktoren, die die sehr präzise Entwicklungen der verschiedenen Keimblätter in diversen Geweben und Organe regieren?  Diese Methode könnte vielleicht auch helfen, die Verhältnisse zwischen sonst sehr verschiedene Organe erklären.  Zum Beispiel, es gibt eine sehr intrigante „Oto-Renal“ (Ohren-Nieren) Verbindung.  Einige angeborene Krankheiten wie Alportssyndrom, und auch Nebenwirkungen mancher Antibiotiken—w.z.B. gentamicin und tobramycin—schaden spezifisch die Ohren und auch die Nieren (den Glomerulus oder das Tubulus).  Natürlich gibt’s eine Entwicklungsverbindung zwischen diese zwei sonst sehr verschiedene Organe.  Können wir durch den simulierten Aufbau dieser zwei Organe diese Verbindung besser aufklären? 
  4. Wenn wir eine „Organegemeinschaft“ bauen, dann wie können wir diese Organe lehren, was sind „Selbstgewebe“ und was sind „Fremdgewebe“ (z.B. Krebszellen)?  D.h.—wie bauen wir ein Immunsystem?
  5. Eine verwandte Frage, und sehr relevant im Bezug auf das Problem der Gewebetransplantation und auch, vielleicht bald, die Gewebezüchtung:  Wie können wir den Aufbau eines neuen Organ schnell programmieren und dann—nach der Transplantation—versichern, daß das Fremdorgan in unserem „simulierten Körper“ angenommen wird? 

 

Natürlich gibt’s viele andere interessante Fragen, aber mein Zweck hier ist, nur die Ideen von Ihnen zu stimulieren.  Wie ich oben geschrieben hab’, ist dies ein kollaboratives Projekt, und jetzt ist es in seiner frühen Stufen.  Wir brauchen kreative Menschen mit vielen verschiedenen Vorbildungen—Computerprogrammer und Grafikexperten um zu helfen, den Kode zu bauen und den „Evolver“ und den „Selektor“ zu schaffen.  Wir brauchen Wissenschaftler, die ein Interesse in der mathematischen Physiologie haben.  Wir brauchen auch natürlich Arzten, die interessante Probleme vorschlagen und untersuchen können.  Ich hab’ schon viel über den Kode, die allgemeine Struktur, und die Anwendungen dieses Projekts untersucht; aber jetzt will ich meine Vorschläge und mein dieses System mit der Gemeinschaft verteilen, denn der Kraft und die Ideen von Ihnen zusammen ist riesig mehr, als was ich selbst machen könnte. 

 

Weil es so fortgeschrittenes Interesse und Forschung in der mathematische Physiologie in den deutschsprechenden Ländern gibt, ist die Projektbeschreibung auf Deutsch.  Aber ich bin nicht der Besitzer des Projekts; das ist Ihre Rolle.  Ich bin nur—or so ich hoffe—ein inspirierender Geist des Projekts.  Und obwohl ich jetzt immer so beschäftigt bin—ein Assistenzarzt im USA hat kaum die Zeit zu atmen—will ich noch oft gern mit Ihnen kollaborieren. 

 

Also, los!  Diese ist Ihre Schöpfung und Ihre Leistung, und ich frohe mich sehr darauf, mit Ihnen zu arbeiten.

 

Alles beste,

 

J. Wes Ulm

MD, PhD

 

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