Студент з Китаю опублікував дослідження в престижному журналі

Юмінг Цзян приїхав до Сіракузького університету з китайського міста Нанкін, приваблений яскравим помаранчевим кольором навчального закладу та його поетичною китайською назвою — «Університет Снігового Міста». Але саме можливість займатися науковими дослідженнями ще на бакалавраті визначила його шлях у фізиці.

Зараз Цзян є аспірантом першого року навчання на кафедрі фізики Коледжу мистецтв і наук. Він досяг того, над чим багато дослідників працюють роками — опублікував новаторську роботу в престижному Journal of Physical Chemistry. Фундаментальне дослідження має широке застосування в біохімічних процесах, аналізі білків та розробці ліків. Найбільш вражаюча деталь полягає в тому, що він завершив цю роботу ще будучи студентом бакалаврату.

Спочатку Цзян навчався на математичному факультеті, але його інтерес до фізики виник після базового курсу. Він звернувся до професора фізики Джона Лайхо і почав допомагати з обчислювальною роботою та програмуванням у дослідженнях фізики високоенергетичних частинок. Це також змінило його основний інтерес з математики на фізику, додавши другу спеціальність.

Через два роки професор Лівіу Мовіляну помітив виняткові результати Цзяна на курсі термодинаміки і запросив його приєднатися до своєї програми досліджень з біофізики та співпрацювати з теоретичним біофізиком, асистентом професора Антуном Сканатою.

Протягом літа 2024 року Цзян повністю занурився в проект — розробляв теоретичні основи, створював діаграми та виконував складні обчислення. Робота зосереджувалася на розумінні того, як білки взаємодіють з клітинними рецепторами — фундаментальний процес, який контролює незліченні біологічні функції.

«Як студент-дослідник, Юмінг чудово впорався зі складною проблемою, що стосується конкурентних взаємодій у сучасній молекулярній біології, яку можна вирішити за допомогою теоретичної та обчислювальної фізики», — каже Мовіляну. «Він невпинно працював, щоб подолати будь-які виклики під час цього дослідження, і володіє всіма особистими якостями, необхідними для досягнення великого успіху як аспірант».

Клітини покладаються на білки для комунікації та контролю того, що відбувається як всередині, так і зовні їхніх меж. На поверхні клітини білки-рецептори, які називають «хабами», діють як стикувальні станції, з'єднуючись з численними іншими білками, які називаються лігандами. Ці ліганди доставляють різні сигнали або запускають різноманітні клітинні дії.

Виклик полягає в тому, що ці білкові взаємодії постійно змінюються — прикріплюються, відокремлюються та конкурують один з одним залежно від рівня концентрації та сили зв'язування. Метою було передбачити, як різні типи лігандів конкурують за рецептор — наприклад, який лігand має перевагу, і як ця перевага змінюється зі зміною концентрації кожного ліганда.

Цзян та його колеги застосували інноваційне рішення — теорію черг, математичний підхід, спочатку розроблений для вивчення черг очікування. Моделюючи, як білки «по черзі» зв'язуються з рецепторами, вони створили систему, яка може обчислювати зайнятість рецепторів на основі швидкості, з якою кожен білок зв'язується та відокремлюється, а також його концентрації.

Їхні висновки виявили дивовижну складність. Навіть у простій системі лише з трьома білками, які конкурують за один і той самий рецептор, зміна кількості одного білка драматично впливає на те, як взаємодіють два інші — подібно до того, як одна людина, яка втручається в чергу, змінює час очікування всіх інших.

Для більш складних систем, що включають багато конкуруючих білків, команда розробила спрощену модель, яка групує подібні білки разом, роблячи обчислення більш керованими, зберігаючи при цьому точність.

Надаючи кількісний інструмент для прогнозування поведінки рецепторів, коли кілька сигнальних молекул конкурують за місця зв'язування, це дослідження може допомогти вченим краще зрозуміти, як клітини обробляють складні сигнали та як порушення в цих взаємодіях можуть призвести до захворювань. Для фармацевтичної розробки здатність передбачати взаємодії ліків з білками може прискорити розробку, зменшуючи потребу в певних клінічних випробуваннях на людях. «Ми могли б передбачити, як препарат діє на цільовий білок, цільові клітини», — каже Цзян. «Я думаю, що це найбільш глибоке застосування».

Публікація дослідження не була ізольованим успіхом. Цзян отримав премію Евкліда математичного факультету для перспективних студентів-математиків на третьому курсі та премію Ердеша за досконалість у розв'язанні математичних задач за свої результати на змаганні Патнема, одному з найпрестижніших математичних змагань у Сполучених Штатах. Його також назвали науковцем Сіракузького університету 2025 року, найвищою студентською відзнакою, яку надає університет.

Історія Цзяна ілюструє особливий підхід університету до бакалаврської освіти — той, де студенти не просто вивчають науку з підручників, а активно сприяють розвитку людських знань. Поєднуючи талановитих студентів бакалаврату з викладачами, які проводять передові дослідження, Сіракузький університет створює можливості для відкриттів, які виходять за межі кампусу.

«Працювати зі студентами, такими як Юмінг, дуже приємно», — каже Сканата, один з наставників Цзяна. «Було радістю бачити його успіх, і я з нетерпінням чекаю на його майбутній внесок, коли він використає величезний потенціал, який він несе в собі».

Для Цзяна дослідження були важливим компонентом його студентського досвіду. «Займатися дослідженнями як студент дозволяє вам отримати більше досвіду, ніж ваші однолітки», — каже він. «Студентські дослідження дозволяють вам досліджувати різні галузі без інтенсивного тиску, з яким стикаються аспіранти, надаючи свободу відкривати справжні інтереси та розвивати навички».

Продовжуючи свою аспірантуру з фізики, будуючи базу знань, необхідну для теоретичної фізики, Цзян переносить навички та впевненість, здобуті завдяки своїй бакалаврській роботі. «Мені подобається цей процес», — каже він. «Загубитися в складній проблемі та організовано працювати над рішеннями, щоб знайти те, що є правдою і що може просунути науку вперед».