يجد الفيزيائيون حدود تعدد المهام في الشبكات البيولوجية

تدفق الدم في الدماغ هو مثال ساطع. ينتقل الدم عبر شبكة من الأوعية ويمكن إعادة توجيهه إلى أجزاء معينة من الدماغ حسب الحاجة. المشي ، على سبيل المثال ، يتطلب تدفق الدم في مناطق مختلفة من مضغ العلكة.

يُعتقد أن الشبكات تقوم بمثل هذه المهام من خلال التحكم في الاتصالات داخل الشبكة ، وتسمى "الحواف". ما لم يستكشفه الفيزيائيون هو عدد المهام التي يمكن لشبكة واحدة تحقيقها في وقت واحد.

قام فريق من الباحثين من قسم الفيزياء والفلك بنشر دراسة في PNAS يعالج هذا السؤال. كان الطالب المتخرج جيسون و. روكس وما بعد الدرس السابق هنريك رونيلفيتش ، الذي يعمل الآن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، مؤلفين رئيسيين لهذه الورقة ، وعمل جنباً إلى جنب مع الفيزيائيين أندريا ليو وإيليني كاتيفوري ، فضلاً عن سيدني ر. ناجل من جامعة شيكاغو.

كان فريق Penn قد درس سابقًا نوعين من الشبكات. قامت Katifori بفحص كيفية بناء الطبيعة والحفاظ على "شبكات التدفق" ، مثل تدفق الدم ، باستخدام أساليب مستوحاة من علم الأحياء وترتبط به. تدرس ليو "الشبكات الميكانيكية" ، مثل ترتيب الأحماض الأمينية التي تشكل البروتين ، وكيف يمكن تغيير هذه الشبكات من أجل أداء وظيفة بيولوجية محددة.

في حين يختلف هذان النظامان عن بعضهما البعض ، فقد ساعدت المناقشات بين مجموعتي ليو وكاتيفوري حول مدى إنجاز المهام المتعددة لكل شبكة في مساعدة كل من ليو وكاتيفوري على إدراك أنهما يمكنهما دراسة هاتين الشبكتين غير المترابطة على ما يبدو.

"كنا ندرس بشكل مستقل تعقيد وظيفة معينة يمكن لشبكة التدفق القيام بها وما يمكن أن تفعله شبكة ميكانيكية" ، تقول كاتيفوري. "كانت شبكتان مختلفتان تمامًا ، ولكن بطريقة واحدة".

طور المؤلفون مجموعة من المعادلات التي تصف كل نظام. ثم استخدموا عمليات المحاكاة للتحكم في "الشبكة" أو "ضبطها" حتى يتمكنوا من أداء وظائف معقدة بشكل متزايد. وجد روكس ورونلينفيتش وزملاؤهما أن كلا النوعين من الشبكات نجحا في تعدد المهام.

لقد فوجئوا من أوجه التشابه في الأداء بين هاتين الشبكتين المتميزتين على ما يبدو. في حين أن الفيزياء التي تكمن وراء النظامين مختلفة تمامًا ، إلا أنها كانت تؤديها بالمثل من حيث قدرات تعدد المهام والقدرة على التحكم. يقول ليو: "كميًا ، كانت متطابقة تقريبًا".

وستكون هذه النتائج بمثابة الأساس لعدد من الدراسات المستقبلية التي ستتعمق أكثر في كيفية تشفير القدرة على أداء المهام إلى شبكات. بالنسبة إلى الشبكات الميكانيكية مثل الإنزيمات ، يمكن لهذه المعرفة أن تحسن قدرة الباحثين في مجال الطب الحيوي على تصميم الأدوية والعلاجات المستهدفة.

كخطوة أولى ، تعمل Rocks على فهم أفضل لكيفية عمل الشبكات بالفعل. يقول: "حتى هذه النقطة ، عاملناها مثل الصندوق الأسود". "لكننا لا نريد أن نفعل ذلك. نريد أن نفهم كيف تؤدي الشبكة وظيفة محددة. نريد أن نفهم ما هي جوانب هيكل الشبكة مهمة".

إن ليو وكاتيفوري متحمسان لتعاونهما والنتائج التي يأملان إيجادها في المستقبل القريب. "إذا كنت قد سألتني قبل قيامنا بهذا المشروع سواء كنا سنحصل على نفس الجواب للشاتيتين ، سأقول" لماذا؟ "" يقول كاتيفوري. "ولكن عندما تفكر في ذلك ، وعندما تفهمه ، فإنك تدرك أناقة هذه الدراسة ولماذا يجب أن تكون هاتان الشبكتان متطابقتين."

مصدر القصة:

المواد المقدمة من قبل جامعة بنسلفانيا. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى للأسلوب والطول.