Η διαφωτιστική γεωμετρία των ιών

Πάνω από ένα τέταρτο δισεκατομμύριο άνθρωποι σήμερα έχουν μολυνθεί από τον ιό της ηπατίτιδας Β (HBV), εκτιμά ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας, και περισσότεροι από 850.000 από αυτούς πεθαίνουν κάθε χρόνο ως αποτέλεσμα. Αν και ένα αποτελεσματικό και φθηνό εμβόλιο μπορεί να αποτρέψει τις λοιμώξεις, ο ιός, ο κύριος ένοχος της ηπατικής νόσου, εξακολουθεί να μεταδίδεται εύκολα από τις μολυσμένες μητέρες στα νεογνά τους κατά τη γέννηση και η ιατρική κοινότητα εξακολουθεί να ενδιαφέρεται έντονα για την εξεύρεση καλύτερων τρόπων καταπολέμησης του HBV και της χρόνιας του υπάρχοντα. Ως εκ τούτου, ήταν αξιοσημείωτο τον περασμένο μήνα όταν ο Reidun Twarock, μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο του York στην Αγγλία, μαζί με τον Peter Stockley, καθηγητή βιολογικής χημείας στο Πανεπιστήμιο του Leeds, και τους αντίστοιχους συναδέλφους τους, δημοσίευσαν τις γνώσεις τους για το πώς συναρμολογείται ο HBV. Αυτή η γνώση, ήλπιζαν, ότι θα μπορούσε τελικά να στραφεί κατά του ιού.

Το επίτευγμά τους έχει κερδίσει περισσότερη προσοχή επειδή μόλις τον περασμένο Φεβρουάριο οι ομάδες ανακοίνωσαν επίσης μια παρόμοια ανακάλυψη σχετικά με την αυτοσυναρμολόγηση ενός ιού που σχετίζεται με το κοινό κρυολόγημα. Στην πραγματικότητα, τα τελευταία χρόνια, ο Twarock, ο Stockley και άλλοι μαθηματικοί έχουν βοηθήσει στην αποκάλυψη των μυστικών συναρμολόγησης μιας ποικιλίας ιών, παρόλο που αυτό το πρόβλημα φαινόταν απαγορευτικά δύσκολο πριν από λίγο.

Η επιτυχία τους αντιπροσωπεύει έναν θρίαμβο στην εφαρμογή μαθηματικών αρχών στην κατανόηση των βιολογικών οντοτήτων. Μπορεί επίσης να βοηθήσει τελικά στην επανάσταση στην πρόληψη και τη θεραπεία των ιογενών ασθενειών γενικά ανοίγοντας έναν νέο, δυνητικά ασφαλέστερο τρόπο για την ανάπτυξη εμβολίων και αντιικών φαρμάκων.

A Geodesic Insight

Το 1962, το δίδυμο βιολόγων-χημικών Donald Caspar και Aaron Klug δημοσίευσαν μια θεμελιώδη εργασία σχετικά με τη δομική οργάνωση των ιών. Ανάμεσα σε μια σειρά από σκίτσα, μοντέλα και μοτίβα περίθλασης ακτίνων Χ που παρουσίαζε το χαρτί ήταν μια φωτογραφία ενός κτιρίου που σχεδιάστηκε από τον Richard Buckminster Fuller, τον εφευρέτη και αρχιτέκτονα:Ήταν ένας γεωδαιτικός θόλος, το σχέδιο για το οποίο ο Fuller θα γινόταν διάσημος. Και ήταν, εν μέρει, η δικτυωτή δομή του γεωδαισιακού θόλου, ένα κυρτό πολύεδρο συναρμολογημένο από εξάγωνα και πεντάγωνα, χωρισμένα σε τρίγωνα, που θα ενέπνευσε τη θεωρία των Caspar και Klug.

Την ίδια στιγμή που ο Fuller προωθούσε τα πλεονεκτήματα των θόλων του - δηλαδή ότι η δομή τους τους έκανε πιο σταθερούς και αποτελεσματικούς από άλλα σχήματα - οι Caspar και Klug προσπαθούσαν να λύσουν ένα δομικό πρόβλημα στην ιολογία που είχε ήδη προσελκύσει μερικούς από τους σπουδαίους του χώρου , μεταξύ των οποίων οι James Watson, Francis Crick και Rosalind Franklin. Οι ιοί αποτελούνται από μια μικρή σειρά DNA ή RNA συσκευασμένη σε ένα πρωτεϊνικό κέλυφος που ονομάζεται καψίδιο, το οποίο προστατεύει το γονιδιωματικό υλικό και διευκολύνει την εισαγωγή του σε ένα κύτταρο ξενιστή. Φυσικά, το γονιδιωματικό υλικό πρέπει να κωδικοποιεί για το σχηματισμό ενός τέτοιου καψιδίου και οι μακρύτερες έλικες DNA ή RNA απαιτούν μεγαλύτερα καψίδια για να τα προστατεύσουν. Δεν φαινόταν πιθανό ότι τα σκέλη τόσο κοντά όσο αυτά που βρέθηκαν στους ιούς θα μπορούσαν να το επιτύχουν.

Στη συνέχεια, το 1956, τρία χρόνια μετά την εργασία τους για τη διπλή έλικα του DNA, οι Watson και Crick βρήκαν μια εύλογη εξήγηση. Ένα ιικό γονιδίωμα θα μπορούσε να περιλαμβάνει οδηγίες για περιορισμένο μόνο αριθμό διαφορετικών πρωτεϊνών καψιδίου, πράγμα που σήμαινε ότι κατά πάσα πιθανότητα τα ιικά καψίδια ήταν συμμετρικά:Το γονιδιωματικό υλικό χρειαζόταν για να περιγράψει μόνο ένα μικρό υποτμήμα του καψιδίου και στη συνέχεια να δώσει εντολές για επανάληψη του ένα συμμετρικό μοτίβο. Πειράματα που χρησιμοποιούν περίθλαση ακτίνων Χ και ηλεκτρονικά μικροσκόπια αποκάλυψαν ότι αυτό ήταν πράγματι έτσι, καθιστώντας προφανές ότι οι ιοί είχαν κυρίως είτε ελικοειδή είτε εικοσαεδρικό σχήμα. Οι πρώτες ήταν ραβδοσχηματικές κατασκευές που έμοιαζαν με στάχυ, οι δεύτερες πολύεδρα που προσέγγιζε τη σφαίρα, αποτελούμενη από 20 τριγωνικές όψεις κολλημένες μεταξύ τους.

Αυτό το σχήμα 20 πλευρών, ένα από τα πλατωνικά στερεά, μπορεί να περιστραφεί με 60 διαφορετικούς τρόπους χωρίς να φαίνεται να αλλάζει στην εμφάνιση. Επιτρέπει επίσης την τοποθέτηση 60 πανομοιότυπων υπομονάδων, τρεις σε κάθε τριγωνική όψη, που σχετίζονται εξίσου με τους άξονες συμμετρίας — μια διάταξη που λειτουργεί τέλεια για μικρότερους ιούς με καψίδια που αποτελούνται από 60 πρωτεΐνες.

Αλλά τα περισσότερα εικοσάεδρα ιικά καψίδια περιλαμβάνουν πολύ μεγαλύτερο αριθμό υπομονάδων, και η τοποθέτηση των πρωτεϊνών με αυτόν τον τρόπο δεν επιτρέπει ποτέ περισσότερες από 60. Σαφώς, ήταν απαραίτητη μια νέα θεωρία για τη μοντελοποίηση μεγαλύτερων ιικών καψιδίων. Εκεί ο Caspar και ο Klug μπήκαν στην εικόνα. Έχοντας διαβάσει πρόσφατα για τις αρχιτεκτονικές δημιουργίες του Buckminster Fuller, το ζευγάρι συνειδητοποίησε ότι μπορεί να έχει σχέση με τις δομές των ιών που μελετούσαν, κάτι που με τη σειρά του πυροδότησε μια ιδέα. Η περαιτέρω διαίρεση του εικοσάεδρου σε τρίγωνα (ή, πιο τυπικά, η εφαρμογή ενός εξαγωνικού πλέγματος στο εικοσάεδρο και στη συνέχεια η αντικατάσταση κάθε εξαγώνου με έξι τρίγωνα) και η τοποθέτηση πρωτεϊνών στις γωνίες αυτών των τριγώνων παρείχε μια πιο γενική και ακριβή εικόνα του τι είδους ιούς Έμοιαζε. Αυτός ο διαχωρισμός επέτρεψε την «οιονεί ισοδυναμία», στην οποία οι υπομονάδες διαφέρουν ελάχιστα στον τρόπο με τον οποίο συνδέονται με τους γείτονές τους, σχηματίζοντας είτε πενταπλάσιες είτε εξαπλάσιες θέσεις στο πλέγμα.

Τέτοιοι μικροσκοπικοί γεωδαιτικοί θόλοι έγιναν γρήγορα ο τυπικός τρόπος αναπαράστασης των εικοσαεδρικών ιών και, για λίγο, φαινόταν ότι οι Caspar και Klug είχαν λύσει το πρόβλημα. Ωστόσο, μια χούφτα πειραμάτων που διεξήχθησαν τις δεκαετίες του 1980 και του 1990, αποκάλυψαν ορισμένες εξαιρέσεις στον κανόνα, κυρίως μεταξύ ομάδων ιών που προκαλούν καρκίνο που ονομάζονται polyomaviridae και papillomaviridae.

Έγινε αναγκαίο για άλλη μια φορά για μια εξωτερική προσέγγιση - που έγινε δυνατή από θεωρίες στα καθαρά μαθηματικά - να παρέχει πληροφορίες για τη βιολογία των ιών.

Ακολουθώντας τα βήματα των Caspar και Klug

Πριν από περίπου 15 χρόνια, ο Twarock συνάντησε μια διάλεξη σχετικά με τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους οι ιοί πραγματοποιούν τις συμμετρικές δομές τους. Σκέφτηκε ότι θα μπορούσε να επεκτείνει σε αυτούς τους ιούς μερικές από τις τεχνικές συμμετρίας που εργαζόταν με τις σφαίρες. «Αυτή η χιονόμπαλα», είπε ο Twarock. Αυτή και οι συνάδελφοί της συνειδητοποίησαν ότι με τη γνώση των δομών, «θα μπορούσαμε να επηρεάσουμε την κατανόηση του πώς λειτουργούν οι ιοί, πώς συναρμολογούνται, πώς μολύνουν, πώς εξελίσσονται». Δεν κοίταξε πίσω:Από τότε πέρασε το χρόνο της δουλεύοντας ως μαθηματικός βιολόγος, χρησιμοποιώντας εργαλεία από τη θεωρία της ομάδας και τα διακριτά μαθηματικά για να συνεχίσει από εκεί που σταμάτησαν ο Κάσπαρ και ο Κλουγκ. «Αναπτύξαμε πραγματικά αυτήν την ολοκληρωμένη, διεπιστημονική προσέγγιση», είπε, «όπου τα μαθηματικά οδηγούν τη βιολογία και η βιολογία τα μαθηματικά».

Η Twarock ήθελε αρχικά να γενικεύσει τα πλέγματα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, ώστε να μπορέσει να προσδιορίσει τις θέσεις των υπομονάδων καψιδίου που η εργασία των Caspar και Klug απέτυχε να εξηγήσει. Οι πρωτεΐνες των ιών των ανθρωπίνων θηλωμάτων, για παράδειγμα, ήταν διατεταγμένες σε πενταπλάσιες πενταγωνικές δομές, παρά σε εξαγωνικές. Σε αντίθεση με τα εξάγωνα, ωστόσο, τα κανονικά πεντάγωνα δεν μπορούν να κατασκευαστούν από ισόπλευρα τρίγωνα, ούτε μπορούν να σχηματίσουν ένα επίπεδο:Όταν γλιστρούν το ένα δίπλα στο άλλο για να πλακώσουν μια επιφάνεια, αναπόφευκτα προκύπτουν κενά και επικαλύψεις.

Έτσι, ο Twarock στράφηκε στα πλακάκια Penrose, μια μαθηματική τεχνική που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1970 για να πλακώσει ένα αεροπλάνο με πενταπλάσια συμμετρία, συναρμολογώντας μεταξύ τους τετράπλευρες φιγούρες που ονομάζονται χαρταετοί και βελάκια. Τα μοτίβα που δημιουργούνται από τα πλακάκια Penrose δεν επαναλαμβάνονται περιοδικά, καθιστώντας δυνατή τη συναρμολόγηση των δύο συστατικών σχημάτων του χωρίς να αφήνονται κενά. Ο Twarock εφάρμοσε αυτή την έννοια εισάγοντας τη συμμετρία από έναν χώρο υψηλότερης διάστασης - σε αυτήν την περίπτωση, από ένα πλέγμα σε έξι διαστάσεις - σε έναν τρισδιάστατο υποχώρο. Αυτή η προβολή δεν διατηρεί την περιοδικότητα του πλέγματος, αλλά παράγει σειρά μεγάλης εμβέλειας, όπως ένα πλακάκι Penrose. Περιλαμβάνει επίσης τα επιφανειακά πλέγματα που χρησιμοποιούν οι Caspar και Klug. Επομένως, τα πλακίδια του Twarock εφαρμόστηκαν σε ένα ευρύτερο φάσμα ιών, συμπεριλαμβανομένων των πολυομαϊκών ιών και των ιών των θηλωμάτων που είχαν αποφύγει την ταξινόμηση των Caspar και Klug.

Επιπλέον, οι κατασκευές του Twarock όχι μόνο ενημέρωσαν τις θέσεις και τους προσανατολισμούς των πρωτεϊνικών υπομονάδων του καψιδίου, αλλά παρείχαν επίσης ένα πλαίσιο για το πώς οι υπομονάδες αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους και με το γονιδιωματικό υλικό μέσα. «Νομίζω ότι εδώ κάναμε μια πολύ μεγάλη συμβολή», είπε ο Twarock. «Γνωρίζοντας τη συμμετρία του δοχείου, μπορείτε να κατανοήσετε καλύτερα τους καθοριστικούς παράγοντες της ασύμμετρης οργάνωσης του γονιδιωματικού υλικού [και] τους περιορισμούς σχετικά με το πώς πρέπει να οργανωθεί. Ήμασταν οι πρώτοι που επικαλέσαμε πραγματικά την ιδέα ότι πρέπει να υπάρχει τάξη, ή υπολείμματα αυτής της τάξης, στο γονιδίωμα.”

Ο Twarock ακολουθεί αυτή τη γραμμή έρευνας από τότε.

Ο ρόλος των ιικών γονιδιωμάτων στον σχηματισμό καψιδίων

Η θεωρία των Caspar και Klug εφαρμόστηκε μόνο στις επιφάνειες των καψιδίων, όχι στο εσωτερικό τους. Για να μάθουν τι συνέβαινε εκεί, οι ερευνητές έπρεπε να στραφούν στην κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία και σε άλλες τεχνικές απεικόνισης. Δεν ισχύει για το μοντέλο πλακιδίων του Twarock, είπε. Αυτή και η ομάδα της ξεκίνησαν το κυνήγι για συνδυαστικούς περιορισμούς στα μονοπάτια συναρμολόγησης του ιού, αυτή τη φορά χρησιμοποιώντας τη θεωρία γραφημάτων. Στη διαδικασία, έδειξαν ότι στους ιούς RNA, το γονιδιωματικό υλικό έπαιξε πολύ πιο ενεργό ρόλο στον σχηματισμό του καψιδίου από ό,τι πιστεύαμε μέχρι τώρα.

Συγκεκριμένες θέσεις κατά μήκος του κλώνου RNA, που ονομάζονται σήματα συσκευασίας, έρχονται σε επαφή με το καψίδιο από το εσωτερικό των τοιχωμάτων του και το βοηθούν να σχηματιστεί. Ο εντοπισμός αυτών των σημάτων μόνο με τη βιοπληροφορική αποδεικνύεται ένα απίστευτα δύσκολο έργο, αλλά η Twarock συνειδητοποίησε ότι μπορούσε να το απλοποιήσει εφαρμόζοντας μια ταξινόμηση βασισμένη σε έναν τύπο γραφήματος που ονομάζεται μονοπάτι Hamiltonian. Φανταστείτε τα σήματα συσκευασίας ως κολλώδη κομμάτια κατά μήκος της συμβολοσειράς RNA. Ένα από αυτά είναι πιο κολλώδες από τα άλλα. μια πρωτεΐνη θα προσκολληθεί πρώτα σε αυτό. Από εκεί, νέες πρωτεΐνες έρχονται σε επαφή με άλλα κολλώδη κομμάτια, σχηματίζοντας ένα διατεταγμένο μονοπάτι που δεν διπλασιάζεται ποτέ. Με άλλα λόγια, ένα μονοπάτι Χαμιλτονιανό.

Σε συνδυασμό με τη γεωμετρία του καψιδίου, η οποία θέτει ορισμένους περιορισμούς στις τοπικές διαμορφώσεις στις οποίες το RNA μπορεί να έρθει σε επαφή με γειτονικές θέσεις δέσμευσης RNA-καψιδίου, η Twarock και η ομάδα της χαρτογράφησαν υποσύνολα μονοπατιών Hamiltoni για να περιγράψουν πιθανές θέσεις των σημάτων συσκευασίας. Η εξάλειψη των απρόβλεπτων, είπε ο Twarock, ήταν «θέμα φροντίδας για αδιέξοδα». Οι τοποθετήσεις που θα ήταν και εύλογες και αποτελεσματικές, επιτρέποντας αποτελεσματική και γρήγορη συναρμολόγηση, ήταν πιο περιορισμένες από το αναμενόμενο. Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ένας αριθμός θέσεων δέσμευσης RNA-καψιδίου πρέπει να εμφανίζεται σε κάθε ιικό σωματίδιο και είναι πιθανώς διατηρημένα χαρακτηριστικά της οργάνωσης του γονιδιώματος. Εάν ναι, οι τοποθεσίες μπορεί να είναι καλοί νέοι στόχοι για αντιικές θεραπείες.

Η Twarock και οι συνεργάτες της, σε συνεργασία με την ομάδα του Stockley στο Λιντς, έχουν χρησιμοποιήσει αυτό το μοντέλο για να οριοθετήσουν τον μηχανισμό συσκευασίας για πολλούς διαφορετικούς ιούς, ξεκινώντας από τον βακτηριοφάγο MS2 και τον ιό του δορυφορικού μωσαϊκού καπνού. Προέβλεψαν την παρουσία σημάτων συσκευασίας στο MS2 το 2013 χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά εργαλεία του Twarock και στη συνέχεια παρείχαν πειραματικά στοιχεία για να υποστηρίξουν αυτούς τους ισχυρισμούς το 2015. Τον περασμένο Φεβρουάριο, οι ερευνητές εντόπισαν συγκεκριμένα σήματα συσκευασίας στον ανθρώπινο παρεχοϊό, μέρος της οικογένειας των picornavirus , που περιλαμβάνει το κοινό κρυολόγημα. Και τον περασμένο μήνα, δημοσίευσαν τις γνώσεις τους σχετικά με τη συναρμολόγηση του ιού της ηπατίτιδας Β. Σχεδιάζουν να κάνουν παρόμοια δουλειά σε πολλούς άλλους τύπους ιών, συμπεριλαμβανομένων των αλφαϊών, και ελπίζουν να εφαρμόσουν τα ευρήματά τους για να κατανοήσουν καλύτερα πώς εξελίσσονται τέτοιοι ιοί.

Πέρα από τη Γεωμετρία

Όταν η ομάδα του Twarock ανακοίνωσε το εύρημα της για τον παρεχοϊό τον Φεβρουάριο, οι τίτλοι ισχυρίστηκαν ότι πλησίαζαν σε μια θεραπεία για το κοινό κρυολόγημα. Αυτό δεν είναι σωστό, αλλά είναι ένας στόχος που έχουν στο μυαλό τους στη συνεργασία τους με τον Stockley.

Η πιο άμεση εφαρμογή θα ήταν να βρεθεί ένας τρόπος να διαταραχθούν αυτά τα σήματα συσκευασίας, δημιουργώντας αντιιικά που παρεμβαίνουν στο σχηματισμό καψιδίων και αφήνουν τον ιό ευάλωτο. Αλλά ο Stockley ελπίζει να ακολουθήσει μια διαφορετική διαδρομή, εστιάζοντας στην πρόληψη πριν από τη θεραπεία. Η ανάπτυξη εμβολίων έχει προχωρήσει πολύ, αναγνώρισε, αλλά ο αριθμός των διαθέσιμων εμβολίων είναι ωχρός σε σύγκριση με τον αριθμό των λοιμώξεων που αποτελούν απειλές. «Θα θέλαμε να εμβολιάζουμε τους ανθρώπους ενάντια σε αρκετές εκατοντάδες λοιμώξεις», είπε ο Stockley, ενώ μόνο δεκάδες εμβόλια έχουν εγκριθεί. Η δημιουργία ενός σταθερού, μη μολυσματικού ανοσογόνου για την προετοιμασία του ανοσοποιητικού συστήματος για το πραγματικό πράγμα έχει τους περιορισμούς του. Αυτήν τη στιγμή, οι εγκεκριμένες στρατηγικές για τα εμβόλια βασίζονται είτε σε χημικά απενεργοποιημένους ιούς (εξοντωμένους ιούς που το ανοσοποιητικό σύστημα μπορεί ακόμα να αναγνωρίσει) είτε σε εξασθενημένους ζωντανούς ιούς (ζωντανούς ιούς που χάνουν μεγάλο μέρος της ισχύς τους). Οι πρώτοι συχνά παρέχουν μόνο βραχύβια ανοσία, ενώ οι δεύτεροι ενέχουν τον κίνδυνο να μετατραπούν από εξασθενημένους ιούς σε λοιμώδεις μορφές. Ο Stockley θέλει να ανοίξει μια τρίτη διαδρομή. «Γιατί να μην φτιάξετε κάτι που μπορεί να αναπαραχθεί, αλλά δεν έχει παθολογικά χαρακτηριστικά;» ρώτησε.

Σε μια αφίσα που παρουσιάστηκε στο Ετήσιο Συνέδριο της Microbiology Society τον Απρίλιο, οι Stockley, Twarock και άλλοι ερευνητές περιγράφουν έναν από τους τρέχοντες τομείς εστίασής τους:τη χρήση της έρευνας για τα σήματα συσκευασίας και την αυτοσυναρμολόγηση για να διερευνήσουν έναν κόσμο συνθετικών ιών. Με την κατανόηση του σχηματισμού καψιδίων, μπορεί να είναι δυνατή η κατασκευή σωματιδίων που μοιάζουν με ιούς (VLPs) με συνθετικό RNA. Αυτά τα σωματίδια δεν θα μπορούσαν να αναπαραχθούν, αλλά θα επέτρεπαν στο ανοσοποιητικό σύστημα να αναγνωρίσει τις δομές πρωτεΐνης του ιού. Θεωρητικά, τα VLP θα μπορούσαν να είναι ασφαλέστερα από τους εξασθενημένους ζωντανούς ιούς και ενδέχεται να παρέχουν μεγαλύτερη προστασία για μεγαλύτερες περιόδους από ό,τι οι χημικά απενεργοποιημένοι ιοί.

Το μαθηματικό έργο του Twarock έχει επίσης εφαρμογές πέρα ​​από ιούς. Ο Govind Menon, μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο Brown, εξερευνά αυτοσυναρμολογούμενες μικρο- και νανοτεχνολογίες. «Η μαθηματική βιβλιογραφία για τη συνθετική αυτοσυναρμολόγηση είναι αρκετά λεπτή», είπε ο Menon. «Ωστόσο, υπήρχαν πολλά μοντέλα για τη μελέτη της αυτοσυναρμολόγησης των ιών. Άρχισα να μελετώ αυτά τα μοντέλα για να δω αν ήταν αρκετά ευέλικτα ώστε να μοντελοποιούν τη συνθετική αυτοσυναρμολόγηση. Σύντομα ανακάλυψα ότι τα μοντέλα που είχαν τις ρίζες τους σε διακριτή γεωμετρία ταίριαζαν καλύτερα στην [έρευνά μας]. Το έργο του Reidun είναι σε αυτό το πνεύμα."

Η Miranda Holmes-Cerfon, μαθηματικός στο Ινστιτούτο Μαθηματικών Επιστημών Courant στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, βλέπει συνδέσεις μεταξύ των μελετών για τον ιό του Twarock και της δικής της έρευνας για το πώς τα μικροσκοπικά σωματίδια που επιπλέουν σε διαλύματα μπορούν να αυτοοργανώνονται. Αυτή η συνάφεια μιλά για αυτό που θεωρεί ως μία από τις πολύτιμες πτυχές των ερευνών του Twarock:την ικανότητα της μαθηματικής να εφαρμόζει την πείρα της σε προβλήματα στη βιολογία.

«Αν μιλάς με βιολόγους», είπε ο Χολμς-Σερφόν, «η γλώσσα που χρησιμοποιούν είναι τόσο διαφορετική από τη γλώσσα που χρησιμοποιούν στη φυσική και τα μαθηματικά. Οι ερωτήσεις είναι επίσης διαφορετικές». Η πρόκληση για τους μαθηματικούς συνδέεται με την προθυμία τους να αναζητήσουν ερωτήσεις με απαντήσεις που ενημερώνουν τη βιολογία. Ένα από τα πραγματικά ταλέντα της Twarock, είπε, "είναι να κάνει αυτή τη διεπιστημονική δουλειά."