مطالعه یک توضیح جهانی در سطح مولکولی برای هموستاز و سازگاری بیولوژیکی را نشان می دهد

تحقیقات برجسته ای که در Nature Communications توسط ریاضیدانان دکتر Robyn Araujo در QUT و پروفسور Lance Liotta از دانشگاه جورج میسون در ایالات متحده منتشر شده است، تصویر قطعی انطباق بیولوژیکی در سطح تعاملات بین مولکولی را ارائه می دهد.

دکتر آراوجو، از دانشکده علوم ریاضی QUT، گفت: یافته‌های تحقیق نشان‌دهنده طرحی برای شبکه‌های سیگنالینگ با قابلیت انطباق در تمام حوزه‌های زندگی و طراحی سیستم‌های زیستی مصنوعی است.

مطالعه ما فرآیندی به نام سازگاری کامل قوی (RPA) را در نظر می‌گیرد که به موجب آن سیستم‌های بیولوژیکی، از سلول‌های منفرد گرفته تا کل ارگانیسم‌ها، مولکول‌های مهم را در محدوده غلظت باریکی با وجود بمباران مداوم با اختلالات سیستم، حفظ می‌کنند.

دکتر رابین آرائوجو، دانشکده علوم ریاضی QUT

“تا به حال، هیچ کس راهی کلی برای توضیح این که چگونه این فرآیند حیاتی در سطح مولکولی از طریق شبکه های گسترده، پیچیده و اغلب بسیار پیچیده واکنش های شیمیایی در میان انواع مختلف مولکول ها، عمدتا پروتئین ها، سازماندهی می شد، نداشت.

ما اکنون این مشکل را حل کرده‌ایم، با کشف اصول طراحی اساسی در سطح مولکولی که همه اشکال پیچیدگی بیولوژیکی را در ساختارهای واکنش شیمیایی تقویت‌کننده استحکام و در نهایت ارتقاء بقا سازمان‌دهی می‌کند.»

دکتر Araujo گفت که آنها دریافته اند که مجموعه ای از مولکول های متقابل در سیستم های زنده نمی توانند به سادگی سیگنال های بیوشیمیایی را “انتقال” کنند، بلکه باید در واقع “محاسبات” را روی این سیگنال ها انجام دهند.

این فعل و انفعالات پیچیده بین مولکولی باید نوع خاصی از مقررات را اجرا کنند که به آن معروف است کنترل یکپارچه – یک استراتژی طراحی که تقریباً یک قرن برای مهندسان شناخته شده است.

با این حال، شبکه‌های سیگنالینگ در طبیعت بسیار متفاوت هستند، زیرا برای تکیه بر فعل و انفعالات فیزیکی بین مولکول‌های گسسته تکامل یافته‌اند. بنابراین، «راه‌حل‌های» طبیعت از طریق مجموعه‌های قابل توجه و بسیار پیچیده از برهمکنش‌ها، بدون اجزای محاسباتی یکپارچه طراحی‌شده‌ی خاص مهندسی، و اغلب بدون حلقه های بازخورد.

ما نشان می‌دهیم که ساختارهای شبکه مولکولی از شکلی از کنترل انتگرال استفاده می‌کنند که در آن انتگرال‌های مستقل متعدد، که هر یک ساختار بسیار ویژه و ساده‌ای دارند، می‌توانند با یکدیگر همکاری کنند تا ظرفیت انطباق با مولکول‌های خاص را فراهم کنند.

با استفاده از یک الگوریتم جبری بر اساس این یافته، ما توانسته ایم وجود انتگرال های جاسازی شده را در شبکه های واکنش شیمیایی مهم بیولوژیکی نشان دهیم که توانایی آنها برای نشان دادن سازگاری هرگز با هیچ روش سیستماتیک قابل توضیح نبود.

پروفسور لیوتا گفت که تلاش برای کشف اصول طراحی اساسی سیستم های بیولوژیکی در سراسر طبیعت یکی از مهم ترین و گسترده ترین چالش های بزرگ در علوم زیستی است.

بر اساس این تحقیقات جدید، RPA در حال حاضر به عنوان یک پاسخ بیولوژیکی کلیدی است که اکنون یک چارچوب توضیحی جهانی برای آن وجود دارد.

این چارچوبی است که ضوابط طراحی سختگیرانه و خدشه ناپذیری را بر شبکه‌های بزرگ و پیچیده خودسرانه تحمیل می‌کند و اکنون ظرافت‌های تعاملات بین مولکولی پیچیده را در مقیاس خرد شبکه به حساب می‌آورد.

در سطح عملی، این کشف می‌تواند رویکردی کاملاً تازه برای مقابله با چالش‌های بزرگ در پزشکی شخصی مانند مقاومت به داروهای سرطان، اعتیاد و بیماری‌های خودایمنی ارائه دهد.»