Tværfaglig undersøgelse finder, at cellenetværk søger det optimale punkt mellem stabilitet og tilpasningsevne

Biologer ved meget om, hvordan livet fungerer, men de er stadig ved at finde ud af de store spørgsmål om, hvorfor livet eksisterer, hvorfor det tager forskellige former og størrelser, og hvordan livet er i stand til fantastisk at tilpasse sig til at fylde hver en afkrog på jorden.

Et tværfagligt team af forskere ved Arizona State University har opdaget, at svarene på disse spørgsmål kan ligge i livets evne til at finde en mellemvej, balancering mellem robusthed og tilpasningsevne. Resultaterne af deres undersøgelse er for nylig blevet offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Betydningen af ​​stabilitet

Forskerholdet, ledet af Bryan Daniels fra Center for Biosocial Complex Systems med ledelse fra fakultetsmedlem Sara Walker fra School of Earth and Space Exploration, sigtet gennem data for bedre at forstå rodforbindelserne mellem 67 biologiske netværk, der beskriver, hvordan komponenter i disse systemer interagerer med hinanden. De biologiske netværk er sæt af individuelle komponenter (som proteiner og gener), der interagerer med hinanden for at udføre vigtige opgaver som at transmittere signaler eller bestemme en celles skæbne. De målte en række matematiske træk, simulere netværkets adfærd og lede efter mønstre for at give spor om, hvad der gjorde dem så specielle.

For at udføre deres undersøgelse, de undersøgte data fra Cell Collective -databasen. Denne rige ressource repræsenterer biologiske processer på tværs af livet- indkapsler en lang række biologiske processer fra mennesker til dyr, planter, bakterier og vira. Antallet af komponenter i disse netværk varierede fra fem noder til 321 noder, omfattende 6500 forskellige biologiske interaktioner.

Og disse knuder inkluderer mange af livets nøglebyggesten - gener og proteiner, der fungerer som master switches, der kontrollerer celledeling, vækst og død, og kommunikation.

Ved hjælp af et væld af molekylære data, forskere kan nu studere interaktionerne mellem byggestenene, med et ultimativt mål om at forstå nøglen til, hvordan livet opstår.

"Vi ville vide, om de biologiske netværk var specielle sammenlignet med tilfældige netværk, og i så fald hvordan, «siger Daniels.

De fokuserede på at forsøge at finde et tærskelpunkt, hvor et helt system kan ændre sig som reaktion på kun en lille ændring. En sådan ændring kan dybt forstyrre balancen i livet, skabe et skæbnesvanger, der afgør, om en organisme ville dø eller trives.

"I et stabilt system, organismer vil altid vende tilbage til deres oprindelige tilstand, "forklarer Daniels." I et ustabilt system, effekten af ​​en lille ændring vil vokse og få hele systemet til at opføre sig anderledes. "

Gennem streng test af de 67 netværk, holdet fandt ud af, at alle netværkene delte en særlig egenskab:De eksisterede mellem to yderpunkter, hverken for stabil eller ustabil.

Som sådan, teamet fandt, at følsomhed, som er et mål for stabilitet, var nær et særligt punkt, som biologer kalder "kritik, ", hvilket tyder på, at netværkene evolutionært kan tilpasses til en optimal afvejning mellem stabilitet og ustabilitet.

Livet i balance

Tidligere undersøgelser har vist, at en håndfuld biologiske systemer, fra neuroner til myrkolonier, ligger i denne kritiske midtvej, og denne nye forskning udvider listen over levende systemer i denne tilstand.

Dette kan være af særlig interesse for astrobiologer, ligesom medforfatter Walker, der leder efter liv på andre planeter. Forståelse for hvordan livet kan antage forskellige former, og hvorfor det gør det, kan hjælpe med at identificere liv på andre planeter og bestemme, hvordan det kan se anderledes ud end livet på Jorden. Det kan også hjælpe med at informere vores søgning efter livets oprindelse i laboratoriet.

"Vi forstår stadig ikke rigtigt, hvad livet er, "siger Walker, "og bestemme hvilke kvantitative egenskaber, såsom kritik, bedst at skelne liv fra ikke-liv er et vigtigt skridt mod at opbygge denne forståelse på et grundlæggende niveau, så vi kan genkende liv på andre verdener eller i vores eksperimenter på Jorden, selvom det ser meget anderledes ud end os. "

Resultaterne fremmer også inden for kvantitativ biologi ved at vise, at fra livets grundlæggende byggesten, forskere kan identificere en kritisk følsomhed, der er almindelig på tværs af et stort biologisk skår. Og det lover at fremme syntetisk biologi ved at lade forskere bruge livets byggesten til mere præcist at opbygge biokemiske netværk, der ligner levende systemer.

"Hvert biologisk system har særpræg, fra dets komponenter og dens størrelse til dens funktion og dets interaktioner med det omgivende miljø, "forklarer medforfatter Hyunju Kim fra School of Earth and Space Exploration and the Beyond Center." I denne forskning, for første gang, vi er i stand til at skabe forbindelser mellem den teoretiske hypotese om biologiske systemers universelle tendens til at bevare balancen ved medium grad af stabilitet og 67 biologiske modeller med forskellige egenskaber bygget på faktiske eksperimentdata. "

Ud over Daniels, Walker, og Kim, det tværfaglige forskerhold i denne undersøgelse omfatter medforfattere Douglas Moore fra Beyond Center, Siyu Zhou fra Institut for Fysik, Bradley Karas og Harrison Smith fra School of Earth and Space Exploration, og Stuart Kauffman fra Institute for System Biology i Seattle, Washington.

Denne forskning stammer fra et kursus ledet af Walker og Kim om komplekse systemtilgange til at forstå liv, tilbydes på School of Earth and Space Exploration. Medforfattere Karas, Zhou, og Smith var oprindeligt elever i klassen, da projektet begyndte.

"I vores klasseprojekt, de analytiske værktøjer og koder til at studere generelle dynamiske systemer blev leveret, og vi gav eleverne mulighed for at vælge de dynamiske systemer, de var interesserede i, "siger Kim." Eleverne blev bedt om at ændre analysen og koderne for at studere forskellige funktioner i hvert valgt system. Som resultat, vi endte med at beskæftige os med mange forskellige biologiske netværk, at undersøge flere forskellige aspekter af disse systemer, og udviklet flere koder og analyseværktøjer, selv efter endt undervisning. "