Jesper Lund Pedersen publicerer i Nature

Der er tale om et gennembrud i forståelsen af pattedyres hjerner. Ved hjælp af en ny banebrydende metode har forskere fra Kemisk Institut på Københavns Universitet nærstuderet et enzym (V-ATPase) og opdaget, at det tænder og slukker for sin aktivitet i helt tilfældige intervaller, hvilket modsiger tidligere viden om en vital proces i hjernen. Derfor kom forskningen på forsiden af Nature.

To matematikere er medforfattere på artiklen: Lektor Jesper Lund Pedersen fra Institut for Matematiske Fag, og Peter Johnson, tidligere postdoc ved instituttet, i dag ansat ved universitetet i Manchester. De arbejder begge med anvendt sandsynlighedsteori, fortrinsvis inden for finansiel matematik og forsikringsmatematik.

Hvordan havnede en forsikringsmatematiker i et biokemisk forskningsprojekt?

- Det var takket være en Villum Experiment-bevilling jeg fik for nogle år siden. Villum indkaldte modtagerne til nogle netværksmøder, og der mødte jeg professor Dimitrios Stamou fra Kemisk Institut. Vi kom jo til at snakke fag i gruppearbejdet – og Dimitrios kunne godt bruge et par matematikere til hans projekt.

Det tilfældige møde har Dimitrios Stamou også været glad for:

- Jesper og Peters indsats for projektet var uhyre vigtig. De opfandt en ny statisk metode til at analysere projektets data, siger han.

Algoritme finder forandringspunkter i støjen

Hovedforfatteren på artiklen i Nature, Eleftherios Kosmidis fra Kemisk Institut, er enig:

- Det var et fantastisk og frugtbart samarbejde, der kan fortsætte i nye og spændende retninger.

Kosmidis forklarer, at det store gennembrud i deres undersøgelse var opdagelsen af, at V-ATPase-enzymer ikke arbejder kontinuerligt i tid, men snarere stokastisk skifter mellem tre forskellige stadier.

- For at kunne nå frem til denne konklusion brugte vi fluorescensmikroskopi til at overvåge signalet produceret af fluorescerende molekyler, der rapporterer enzymets aktivitet ved at ændre deres totale fluorescensoutput baseret på den tilstand, som enzymet i øjeblikket er i. Dette blev gjort parallelt for tusindvis af enzymer på samme tid.

- Men lysets natur introducerer støj i vores system. Jesper og Peter udviklede en Bayesiansk teknik, der var i stand til systematisk og pålideligt at "læse" den iboende støj af det opsamlede lys og dermed var i stand til at dekonvolvere, hvilke udsving i signalet, der skyldtes tilfældig støj, og hvilke skyldtes, at enzymet skiftede tilstande.

Jesper Lund Pedersen kalder det forandringspunkter:

- Når enzymet eller cellen begynder at åbne sig, så kommer data for alvor. Men en bevægelse kan være tilfældig støj.  Vi har programmeret er en algoritme – eller estimationsmetode – der kan udpege forandringspunkter. De er gemt inde i støjen.

- Det med at enzymet åbner og lukker sig, og så åbner op igen… Der er ikke særlig mange, der kan lave sådan en algoritme, hvor der er flere ændringspunkter. De fleste har lavet en algoritme med et eller to punkter, men vi kan gøre det på mange ændringspunkter, fortæller Jesper.

Jesper Lund Pedersen og Peter James er stadig med i projektet. Efter det indledende eksperiment, som førte til artiklen i Nature, vil kemikerne gå op i en større skala. De skal måle på flere ting og i længere tidsserier. Datamængden vil vokse meget, hvorfor algoritmens kode skal ”speedes op”, forklarer Jesper. Kode skal optimeres, så computeren kan regne hurtigere.

---

Læs mere:

Overraskende dansk hjerne-studie havner på forsiden af Nature fra Videnskab.dk

A proton-pumping enzyme in the brain switches between modes - artikel fra Nature 23-11-2022