Matematik kan förklara en av grundstenarna för komplext liv

Mitokondrier i celler är ett exempel på en endosymbiotisk relation. På detta fotografi taget med mikroskop har mitokondrierna färgats i ljusgult för att synas tydligare.

BildTorsten Wittmann, University of California, San Francisco

Endosymbionter finns överallt: Det mesta av vår energi genereras av mitokondrier inuti våra celler, växter är beroende av kloroplaster för fotosyntesen och många insekter kan inte föröka sig utan sina endosymbionter. Detta är dock bara toppen av isberget när det gäller endosymbioser.

– Endosymbiotiska relationer är otroligt olika och komplexa. Ny forskning har till exempel visat att endosymbionter kan avgöra om embryon kan bildas framgångsrikt – och till och med styra embryonal utveckling, säger Lucas Santana Souza, postdoktor vid Umeå universitet och en av medförfattarna till artikeln.

Endosymbiotiska relationer är otroligt olika och komplexa

Trots att endosymbioser finns överallt kan de vara svåra att studera.

– Tänk på mitokondriens ursprung i våra celler. Från början var den en separat organism, men genom en endosymbios som inträffade för hundratals miljoner år sedan blev den en avgörande del av allt komplext liv. Men vi kan inte studera en så uråldrig och sällsynt händelse genom att återskapa den i labbet eller gå tillbaka i tiden – vi behöver andra sätt. Då är matematiska modeller ett bra verktyg, säger Eric Libby, medförfattare till studien och universitetslektor vid Institutionen för matematik och matematisk statistik.

Koraller kan ge viktig kunskap

Matematiska modeller kan hjälpa oss att förstå hur olika faktorer påverkar samspelet mellan endosymbionter och deras värdar. I artikeln visar författarna hur matematisk modellering kan tillämpas för att generera nya idéer och komplementera experimentella studier. De pekar också ut viktiga områden att fortsätta undersöka.

Ett sådant exempel handlar om koraller och deras endosymbionter, något som är särskilt relevant just nu när korallblekning blir allt vanligare över hela världen på grund av ökade värmeböljor. Vid korallblekning stöter korallen ut sina endosymbionter och förlorar sin förmåga att producera föda, vilket kan leda till att den dör. Intressant nog kan koraller byta ut sina endosymbionter mot sådana som förbättrar deras förmåga att motstå värmeböljor. Detta är ett av de forskningsområden som studiens medförfattare Adriano Bonforti, postdoktor vid Umeå universitet, är intresserad av.

– Utmaningen är att förstå när koraller bör ändra sammansättningen av sina endosymbionter, till exempel så att en typ blir dominerande över de andra och därmed förändrar korallens respons på stressfaktorer. Matematiska modeller kan föreslå troliga orsaker till när och hur koraller bör göra detta. Resultaten av dessa teoretiska tillvägagångssätt kan sedan hjälpa till att vägleda framtida experimentell forskning, säger han.

Väva samman två forskningsfält

Författarna argumenterar också för ett ökat samarbete mellan forskare inom endosymbios. De drar paralleller mellan endosymbiotiska relationer och samspelet mellan matematiska modellerare och experimentalister. Båda har olika tillvägagångssätt och bakgrunder, men resultatet av deras samarbete kan bli mycket givande, enligt dem.

– Tänk på modellerare som värdefulla samarbetspartners som hämtar inspiration från och ställer spännande frågor utifrån de värdefulla empiriska upptäckterna. I detta sammanhang bidrar modellerare genom att förenkla komplexa koncept, avslöja grundläggande processer och öppna upp nya områden att utforska. Med den här artikeln hoppas vi kunna väva samman de båda fälten och peka ut givande inriktningar för endosymbiotisk forskning, säger Lucas Santana Souza.

Författarna ser redan fördelar med denna typ av samarbete.

– Processen med att skriva den här artikeln har hjälpt mig att kontextualisera min egen roll inom det här tvärvetenskapliga fältet. Jag har redan märkt att arbetet med artikeln har påverkat mitt sätt att närma mig nya problem och gett mig nya perspektiv på hur matematik kan ge insikter både när det gäller endosymbioser och ett bredare spektrum av biologiska system, från mikrober till hela ekosystem, säger Josephine Solowiej-Wedderburn, medförfattare och postdoktor vid Umeå universitet.