Brug af matematiske metoder til at studere komplekse biologiske netværk

Komplekse biologiske processer som metabolisme involverer ofte tusinder af forbindelser koblet ved kemiske reaktioner. Disse proceskæder beskrives af forskere som kemiske reaktionsnetværk. Forskere fra University of Luxembourg har udviklet nye matematiske metoder til at studere de energiske egenskaber ved disse netværk. Forskerne offentliggjorde deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgang X .

Papiret udarbejdet af forskergruppen til professor Massimiliano Esposito undersøger, hvordan meget små biologiske systemer fungerer på molekylært niveau. Disse systemer er udsat for store udsving i masse, som gør deres adfærd vanskelig at forudsige. For at beskrive dem, forskerne bruger en probabilistisk tilgang, der beregner dynamikken i disse systemer baseret på den statistiske sandsynlighed for, at der vil ske ændringer. Ved hjælp af disse sandsynlige beskrivelser, gruppen studerer, hvordan disse systemer udveksler energi og materie med deres miljø, og hvor meget energi de spreder under disse processer - en disciplin kendt som stokastisk termodynamik. Imidlertid, inden for komplekse kemiske reaktionsnetværk, sandsynlighedsbeskrivelser bliver umulige, da tusinder af molekyler er involveret. Forfatterne viste, hvordan de matematiske metoder udviklet til små systemer kan bruges til at undersøge disse netværk.

"I øjeblikket, strenge termodynamiske modeller til denne form for netværk mangler. Vores arbejde baner vejen for termodynamiske karakteriseringer af virkelige kemiske netværk, såsom stofskifte, "forklarer Riccardo Rao, papirets hovedforfatter. "Vi tænker på disse netværk som maskiner, der omdanner nogle forbindelser til andre. Nogle forbindelser forbruges, når de 'brænder' processerne. Vores beskrivelse besvarer spørgsmål som:Er denne proces effektiv? Hvor meget energi spredes den? Hvis vi justerer lidt system, hvordan vil det reagere? "

I øjeblikket, deres forskning fokuserer på modeller af metaboliske netværk, hvor der kræves nogle forenklede tilnærmelser. "Vi bruger nu denne ramme til at undersøge bestemte klasser af kemiske reaktionsnetværk, såsom metaboliske netværk, "Sagde Riccardo Rao. Også, forskergruppen vil arbejde med biologer og kemikere for at teste og anvende resultaterne på konkrete biologiske systemer. Forskning i denne retning med grupper fra Luxembourg Center for Systems Biomedicine er allerede i gang.