Fysikere finder grænserne for multitasking i biologiske netværk

Mange komplekse systemer i biologi kan opfattes som netværk. Dette perspektiv hjælper forskere med at forstå, hvordan biologiske systemer fungerer på et grundlæggende niveau, og kan bruges til at besvare centrale spørgsmål i biologi, medicin, og teknik.

Blodgennemstrømning i hjernen er et godt eksempel. Blod bevæger sig gennem et netværk af fartøjer og kan omdirigeres til bestemte dele af hjernen efter behov. Gå, for eksempel, ville kræve blodgennemstrømning i forskellige regioner end tyggegummi.

Det menes, at netværk udfører sådanne opgaver ved at kontrollere forbindelser i netværket, kaldes "kanter". Hvad fysikere ikke havde undersøgt, er, hvor mange opgaver et enkelt netværk kan udføre samtidigt.

Et team af forskere fra Institut for Fysik og Astronomi offentliggjorde en undersøgelse i PNAS der adresserer dette spørgsmål. Kandidatstuderende Jason W. Rocks og tidligere postdoc Henrik Ronellenfitsch, hvem er nu på MIT, var hovedforfatterne til dette papir, og arbejdede sammen med fysikerne Andrea Liu og Eleni Katifori, samt Sidney R. Nagel fra University of Chicago.

Penn -teamet havde tidligere undersøgt to typer netværk. Katifori har undersøgt, hvordan naturen bygger og vedligeholder "flownetværk, "såsom blodgennemstrømning, ved hjælp af tilgange, der er inspireret af og relateret til biologi. Liu undersøger "mekaniske netværk, "såsom arrangementet af aminosyrer, der danner et protein, og hvordan disse netværk kan ændres for at udføre en specifik biologisk funktion.

Selvom disse to systemer adskiller sig fra hinanden, diskussioner mellem Liu- og Katiforigrupperne om, hvor meget multitasking hvert netværk kunne udrette, hjalp Liu og Katifori med at indse, at de kunne studere disse to tilsyneladende uafhængige netværk sammen.

"Vi studerede begge uafhængigt af kompleksiteten af ​​en bestemt funktion, som et flownetværk kunne udføre, og hvad et mekanisk netværk kunne gøre, "siger Katifori." Det var to helt forskellige fysiske netværk, men på en måde det samme spørgsmål. "

Forfatterne udviklede et sæt ligninger, der beskrev hvert system. De brugte derefter simuleringer til at styre eller "tune" netværket, så de ville udføre stadig mere komplekse funktioner. Sten, Ronellenfitsch, og deres kolleger fandt ud af, at begge typer netværk lykkedes med multitasking.

De blev overrasket over lighederne i ydeevne mellem disse to tilsyneladende adskilte netværk. Mens fysikken bag de to systemer er helt anderledes, de udførte på samme måde med hensyn til multitasking -evner og kontrollerbarhed. "Kvantitativt, de var næsten identiske, "siger Liu.

Disse resultater vil tjene som grundlag for en række fremtidige undersøgelser, der vil dykke dybere ned i, hvordan evnen til at udføre opgaver er kodet i netværk. For mekaniske netværk som enzymer, denne viden kunne forbedre biomedicinske forskeres evne til at designe målrettede lægemidler og behandlinger.

Som et første skridt, Rocks arbejder på en bedre forståelse af, hvordan netværkene rent faktisk fungerer. "Indtil nu har vi behandlet det som en sort boks, "siger han." Men vi vil ikke gøre det. Vi vil forstå, hvordan et netværk udfører en bestemt funktion. Vi vil forstå, hvilke aspekter af netværkets struktur, der er vigtige. "

Liu og Katifori er begejstrede for deres samarbejde og de resultater, de håber at finde i den nærmeste fremtid. "Hvis du havde spurgt mig, før vi lavede dette projekt, om vi skulle have det samme svar for de to netværk, Jeg ville sige 'hvorfor?' "Siger Katifori." Men når du tænker over det, og når du forstår det, du indser elegancen i denne undersøgelse, og hvorfor disse to netværk skulle være de samme. "