محققان اثر مشترک سیگنال‌های نوسانی متعدد را در سیستم‌های بیولوژیکی نشان می‌دهند

دینامیک نوسانی در فرآیندهای بیولوژیکی اساسی، مانند ساعت‌های شبانه‌روزی، تقسیم‌بندی و پاسخ‌های فاکتور رونویسی، نیاز به کنترل کمی دقیق برای تنظیم مناسب سلول و تصمیم‌گیری‌های سرنوشت دارد.

بسیاری از نوسان سازهای بیولوژیکی تحت تأثیر سیگنال های نوسانی متعدد هستند و رفتار آنها از طریق چارچوب زبان های آرنولد درک می شود. با این حال، این رویکرد وضعیت را به یک سیگنال خارجی واحد و یک نوسانگر داخلی ساده می کند، که سیستم های بیولوژیکی واقعی را بیش از حد ساده می کند. درک ما از نحوه پاسخ یک نوسانگر به دو یا چند سیگنال نوسانی خارجی در حال حاضر کافی نیست.

اکنون، یک تیم تحقیقاتی مشترک از موسسه فناوری پیشرفته شنژن (SIAT) آکادمی علوم چین و موسسه نیلز بور در دانشگاه کپنهاگ، یک سیستم نوسانی مصنوعی در مخمر ساخته‌اند که می‌تواند به سیگنال‌های نوسانی دوگانه پاسخ دهد. با ادغام دقیق آزمایش و مدل‌سازی ریاضی، محققان اثر مشارکتی سیگنال‌های نوسانی متعدد و پدیده تنظیم فاز منحصربه‌فرد مرتبط با آنها را آشکار کردند. این یافته‌ها مسیر جدیدی را برای کنترل دینامیک نوسانی در سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی و مصنوعی پیشنهاد می‌کنند.

این اثر در سیستم های سلولی در 17 می

در این مطالعه، محققان یک نوسان ساز مصنوعی که قبلا در مخمر ساخته شده بود را اصلاح کردند تا یک نوسانگر با پاسخ دوگانه به دست آورند. آنها تأیید کردند که این سیستم می‌تواند با فاکتور α و اتانول دوره‌ای همگام شود، بنابراین یک سیستم نوسانی سه‌جانبه را نشان می‌دهد. یک مدل ریاضی نیز برای برازش پارامترها و پیش‌بینی نتایج استخراج شد.

با استفاده از این روش ها، محققان دریافتند که دو سیگنال نوسانی با هم می توانند به طور قابل توجهی ناحیه حباب را بزرگ کنند، نسبت سلول های هماهنگ شده را افزایش دهند و شروع هرج و مرج را به تاخیر بیندازند. این نتایج نشان می‌دهد که دو سیگنال نوسانی به صورت خطی با هم ترکیب نمی‌شوند، اما برای تثبیت همگام‌سازی با یکدیگر همکاری می‌کنند.

“من قبلاً چنین پدیده شگفت انگیزی را نشنیده بودم و بسیار جالب است که در یک زمینه بیولوژیکی رونمایی شده است. علاوه بر این، شواهدی برای این پدیده هم به صورت تئوری و هم تجربی با استفاده از یک مدار مصنوعی ارائه می شود که یک تور د فوروی چشمگیر است. یکی از منتقدان ناشناس این مقاله گفت.

علاوه بر این، محققان کشف کردند که اختلاف فاز بین دو سیگنال نوسانی خارجی یک پارامتر حیاتی برای دینامیک نوسان ساز داخلی است. با تنظیم این اختلاف فاز، می توان دامنه نوسان داخلی را در حالی که فرکانس نوسان ثابت می ماند، تنظیم دقیق کرد. همچنین مشخص شد که اختلاف فاز بهینه با اختلاف فاز طبیعی بین اجزای مختلف سیستم در شرایط نوسان آزاد ارتباط تنگاتنگی دارد.

به عنوان تأیید نهایی مکانیسم تنظیم فاز، محققان بررسی کردند که آیا تنظیم اختلاف فاز بین سیگنال‌های نوسانی می‌تواند بر رونویسی ژن پایین‌دست تأثیر بگذارد یا خیر. علیرغم وجود نویز، آنها دریافتند که سطح بیان ژن در واقع به طور قابل توجهی تحت تأثیر مدولاسیون فاز قرار دارد، که بیشتر با دامنه های مختلف نوسانگر داخلی مرتبط است.

سیستم سیگنال‌دهی سلول مصنوعی جدید ما، همراه با مدل‌سازی ریاضی، به عنوان یک پلت فرم قدرتمند برای مطالعه چنین مشکلات بیولوژیکی پیچیده ای عمل می‌کند. نتایج ارائه شده در اینجا درک کلی ما را از نوسانگرهای جفت شده بیولوژیکی گسترش داد و بر اهمیت یک الگوی زمانی صحیح در تنظیم بیولوژیکی تأکید کرد. ما امیدواریم که این یافته‌ها الهام‌بخش دانشمندان رشته‌های بسیار گسترده‌تر باشد.»

پروفسور وی پینگ، نویسنده همکار این مطالعه