Dr Athanasius Maree

Cyhoeddiad

• Date
• Type

Ymchwil

Amcan cyffredinol ei ymagwedd unigryw at Fodelu Aml-lefel o Morffogenesis yw cynhyrchu rhagfynegiadau uniongyrchol o ddatblygiad, gan ddefnyddio modelau gyda pharamedrau a bennir yn arbrofol wedi'u hintegreiddio mewn fframweithiau aml-raddfa, y gellir eu gwirio'n arbrofol trwy aflonyddwch genetig, moleciwlaidd a bioffisegol. I wneud hynny, mae Labordy Marée wedi datblygu amgylchedd cyfrifiadurol helaeth ar gyfer modelu seiliedig ar gelloedd, Excalib, sydd â phwysigrwydd canolog i ddatgelu sut mae prosesau (is) gellog yn gyrru siâp celloedd a thopoleg, yn ei dro yn llywio datblygiad. Er mwyn dilysu a herio'r modelau, mae'n datblygu offer dadansoddi delweddau newydd yn barhaus, yn ogystal â'u cysylltu'n uniongyrchol â'r amgylchedd modelu. Ar ben hynny, mae Labordy Marée wedi datblygu strategaethau delweddu trwybwn uchel ar gyfer meinweoedd amlgellog sydd ar hyn o bryd i'w cymhwyso mewn ymchwil biofeddygol.

Croesi graddfeydd, prosesu gwybodaeth trwy gyfryngau cyffrous yn gofyn cwestiynau sut y gall hyd yn oed treiglad pwynt mewn sianel ïonau nid yn unig newid byrstio un niwron, ond yn sylfaenol addasu ymddygiad cyfunol meinwe niwronaidd; Mae'n cwestiynu sut mae'r patrymau yn newid strwythur yr organeb a strwythur yr organeb yn newid ei batrymau. Gan gyfuno mesuriadau Extracellular Multi-Electrode Array (MEA), dadansoddi data mawr a modelu mecanistaidd, ein nod yw datgelu sut y gall treigladau pwynt sengl effeithio ar weithrediad yr ymennydd. 

Addysgu

Mae Bioleg yn mynd trwy drawsnewidiad mawr i Ddata Mawr, Ymchwil wedi'i yrru gan AI, Dulliau Mathemategol a Chyfrifiadurol, Meddwl Systemau ac Amlddisgyblaethol. 

Mae'r trawsnewidiad hwn ar yr un pryd yn gofyn am drawsnewidiad sylfaenol mewn addysgu. Felly, rwyf wedi datblygu dull unigryw o addysgu Systemau a Bioleg Rhagfynegol i fyfyrwyr israddedig ac ôl-raddedig. 

Y cysyniad allweddol yw y dylai myfyrwyr o'r eiliad gyntaf ymlaen gael eu trochi mewn modelu ac archwilio systemau biolegol yn weithredol. Felly, mae fy holl addysgu yn "ddysgu fflip", lle mae'r holl ddeunydd yn cael ei ddarparu ymlaen llaw trwy ddarlithoedd, sleidiau a deunydd darllen wedi'u recordio ymlaen llaw, tra bod pob rhyngweithio â myfyrwyr ar ffurf gweithdai gweithredol, lle mae myfyrwyr eu hunain yn darganfod mecanweithiau ac egwyddorion sylfaenol (ac yn aml hyd yn oed yn fwy nag yr oeddem yn ei ddychmygu!). Yr elfennau allweddol yw:

• Addysgu manwl ac arddangosiadau o sylfeini cyfrifiadurol a mathemategol blaengar ar gyfer modelu aml-lefel o brosesau mewn bioleg.
• Trosglwyddo gwybodaeth ar ddelio â chymhlethdod prosesau biolegol; sut i ddylunio a gwneud y gorau o fodelau; sut y gellir dod i gasgliadau gwyddonol gadarn, a'r trafferthion sy'n gysylltiedig.
• Cymharwch a chyferbynnwch y ffurfioliaethau model amrywiol a ddefnyddir ar hyn o bryd ar gyfer modelu, gan bwysleisio eu perthynas â'r cwestiynau biolegol a ofynnir.
• Dadansoddi prosesau bioffisegol ar wahanol lefelau haniaethol: o lefel moleciwlaidd, isgellog a chellog i lefel amlgellog, organeb ac ecosystem, gan gynnwys sut mae'r gwahanol lefelau yn effeithio ar ei gilydd.
• Darganfod (trwy ddarlithoedd, ymarferion cyfrifiadurol ac arbrofion labordy) y cyfyngiadau amrywiol sy'n gysylltiedig â phrosesau biolegol, megis biomecaneg a phrosesu gwybodaeth hyd at fecanweithiau esblygiadol sy'n gyrru arloesiadau biolegol.
• Archwiliwch sut y gall mecanweithiau lluosog weithredu gyda'i gilydd i gynhyrchu ymddygiad annisgwyl, biolegol berthnasol.
• Heriwch fyfyrwyr i ystyried natur yr ymchwil y mae ganddynt ddiddordeb penodol ynddo a'r berthynas rhwng modelau ac arbrofion o fewn dadl epistemolegol wedi'i ffurfio'n dda. Annog myfyrwyr i adael eu parthau cysur.
• Ysgogi myfyrwyr o gefndiroedd gwyddonol amrywiol i ryngweithio a chyfathrebu ar draws rhwystrau amlochrog.
• Datgelwch sut y gall astudio anifeiliaid neu blanhigion fod angen strategaethau modelu gwahanol iawn, ond gall ddatgelu egwyddorion arweiniol cyffredin.

Bywgraffiad

Arloesodd Stan Marée y trawsnewidiad o ddamcaniaethau ffurfio patrymau clasurol i fodelu aml-lefel o morffogenesis. Mae wedi cael ei gydnabod fel y cyntaf erioed i fodelu cylch bywyd llawn organeb gan ddefnyddio dulliau modelu integredig, yn benodol cylch bywyd Dictyostelium discoideum. Trwy gydol y blynyddoedd, mae wedi parhau i ddefnyddio ei ymagwedd unigryw at systemau amlgellog i ddangos yn llwyddiannus y gall egwyddorion hunan-drefnu, sydd wedi'u gwreiddio mewn prosesau isgellog a chellog sefydledig, gynhyrchu mewnwelediadau newydd a defnyddiol ar sut mae organebau, ar draws y teyrnasoedd, yn gallu gweithredu. Enghraifft dda o'r dull hwn yw'r cylch modelu arbrofol aml-lefel a arweiniodd, ynghyd â'r Athro Scheres o Brifysgol Wageningen, i ddatrys sut mae bôn-gelloedd yn y gwreiddyn Arabidopsis yn rheoleiddio rhaniadau celloedd anghymesur sy'n arwain at ddwy hunaniaeth celloedd newydd yn y safle cywir. Trwy ddadansoddi'r gylched foleciwlaidd sylfaenol sy'n gweithredu ym mhob cell, canfu ei fod yn cyflwyno ymddygiad bisefydlog cadarn iawn, oherwydd dwy ddolen adborth gadarnhaol sy'n cynnwys y proteinau SHR, SCR a'r chwaraewyr cysylltiedig â chylch celloedd RBR a CYCD6;1. Trodd lleoliad ffisegol y rhaniad bôn-gelloedd anghymesur yn dibynnu ar ryngweithio yr hormon planhigion auxin a'r protein SHR, ei fanwl ddeinameg a bennir gan groesffordd dau raddiant morffogen perpendicwlar, y gellid eu profi a'u gwirio'n arbrofol. Mewn rhyngweithio arbrawf-model arall dangosodd sut y gall cyfraddau straen a signalau ffytohormonau esbonio ymatebion planhigion i signalau amgylcheddol, megis mewn hypernasty. Unwaith eto, dim ond trwy integreiddio gwahanol lefelau rhyngweithio o fewn fframwaith modelu gofodol y gellid deillio o fewnwelediadau o'r fath. 

Trwy ei brofiad helaeth o gydlynu cydweithrediadau trawsddisgyblaethol ar systemau biolegol amrywiol, yn amrywio o ddatblygiad Arabidopsis i ddeinameg nodau lymff, llwyddodd Stann i gyfieithu problemau biolegol a biofeddygol penodol i ffurfiau mathemategol cynhwysfawr wedi'u cynllunio'n dda, gan gael atebion meintiol sy'n gysylltiedig ag e.e. amcangyfrif ffitrwydd straen firaol, dynameg HIV, dilyniant clefyd diabetes ac amseroedd cyswllt cellog mewn imiwnoleg. 

Trwy gydol ei waith daeth i arfer â pontio sawl graddfa o drefniadaeth. Mewn modelau celloedd sengl cydraniad uchel, roedd Stan yn gallu dangos sut y gellir cymell celloedd i gaffael a chynnal polaredd a siapiau cymhleth. Newid cysyniadol pwysig o'r gwaith hwn oedd bod nid yn unig y biocemeg fewngellog yn pennu siâp y gell, ond y gallai'r siâp yn ei dro achosi ad-drefnu gofod-amserol mewnol, gan wneud dulliau lleihau traddodiadol yn ofer. Ar y lefel nesaf o drefniadaeth, integreiddiodd Stan briodweddau bioffisegol celloedd sengl, eu symudedd a'u rhyngweithiadau trwy adlyniad rhynggellog, i astudio ffenomenau sy'n dod i'r amlwg ar lefel celloedd a meinweoedd lluosog. Canfyddiadau pwysig oedd y gall siapiau celloedd a newidiadau siâp celloedd, er enghraifft a achosir gan chemotaxis a didoli celloedd,  gael effaith ddramatig ar ddeinameg meinwe, i'r pwynt o wrthdroi cyfeiriad symudiad celloedd unigol. Mewn cydweithrediad agos â ffisegwyr a biolegwyr arbrofol, dangosodd Stan wedyn fod adlyniad celloedd a chontractiledd cortecs yn pennu'r patrymau celloedd yn y retina Drosophila. Ar raddfa arall, mae organau'n codi trwy ryngweithiadau cymhleth iawn rhwng llawer o gelloedd o wahanol fathau, gan gynnwys rhwydweithiau rheoleiddio genynnau, symudiad celloedd a phriodweddau lefel meinwe. Er enghraifft, trwy fodelu deinameg 3D realistig nod lymff a gwneud cymariaethau manwl â data microsgopeg aml-ffoton, fe wnaethom ddadfeilio'r dogma bod celloedd T yn cael eu gyrru gan gynnig stop-and-go cynhenid. Mae'r modelu yn arwain arbrofion penodol a ddatgelodd fod ymddygiad celloedd T yn cael ei ddylanwadu gan y topoleg nod lymff. Yn olaf, canfu y gall genynnau unigol hyd yn oed effeithio ar y raddfa ecolegol, trwy achosi anochelrwydd eco-evo o batrymau gofodol-amserol mewn dosbarthiad fector.

Ymgysylltu