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控制理論:大自然是一位工程師

控制理論:大自然是一位工程師

亞利桑那大學 新聞稿 2019 年 8 月 8 日

在過去的 150 年裡,工程師利用所謂的控制理論來發展並掌握了穩定動態系統的方法,而不會出現延遲或超調。 現在,亞利桑那大學的研究小組已經證明,細胞和生物體已經進化出了遵循控制理論原理的複雜生化迴路,比第一位工程師用鉛筆寫在紙上的時間早了數百萬年。

例如,考慮一下您的家用空調。 您將溫度設定為 82 度並開始工作。 當您經過漫長炎熱的一天返回時,您將溫度設定為 72 度。 然後,您的空調將冷空氣吹入您的家中,直到恆溫器達到72 度。這類似於所謂的前饋控制- 您的恆溫器設定一個目標,盡可能快地接近72 度,並在達到目標時關閉目標。

在晚上剩下的時間裡,當溫度偏離 72 度時,您的空調會感應到並小幅開啟以保持穩定的溫度。 這是反饋控制的模擬,其中遠離設定溫度的小波動反饋到控制器上並導致系統進行調整。

UA 團隊發現,細胞內兩個相互連接的生化迴路(TOR 和 PKA 路徑)的耦合就像恆溫器一樣,根據營養物質的可用性來控制細胞的生長。 幾十年來,人們已經知道 PKA 和 TOR 的突變都會導致疾病。 新的研究發現,每條途徑都有其獨特的作用,並準確地闡明了這兩條途徑如何以及為何一起發揮作用。

這項研究今天發表在《自然通訊》上,由分子和細胞生物學副教授、BIO5 研究所成員 Andrew Capaldi 領導。 他和他的團隊想知道,如果 TOR 和 PKA 都激活導致細胞生長並響應營養物質而開啟和關閉的基因,那麼為什麼細胞需要這兩種途徑來控制生長?

細胞不斷適應環境中可用的東西。 他們發現,當細胞獲得穩定的營養物質時,TOR 路徑可確保細胞以適當(匹配)的速度前進。 但是,當細胞突然富含某種營養物質時,PKA 路徑就會啟動並觸發基因產量增加 25 倍,然後自行關閉並讓更精確的 TOR 控制器再次接管。 如果沒有 PKA,TOR 對營養物質流入的反應將會落後。

capaldi 說:“如果你只有 TOR 途徑,你總是會以良好的速度複製。問題是,當條件發生變化時,細胞需要一個小時的時間來調整其生長速度。因此大自然添加了 PKA。” 當你的營養耗盡時,PKA 也可以快速關閉一切,讓 TOR 再次接管。 “發生的情況是你有兩個控制裝置 - 一個的工作是加快響應速度,另一個的作用是保持正確。”

化學工程師使用相同的原理來嚴格控制溫度。

「通常,化學品必須保持一定的溫度,否則最終會發生不必要的副反應。因此,工程師在化學品混合室內安裝了一個恆溫器,」卡帕爾迪說。 “假設反應的下一階段將產生大量熱量。他們使用 PKA 等前饋控制來快速調節溫度,然後反饋控制接管以保持溫度穩定,就像 TOR 一樣。”

由於細胞必須非常精確,因此細胞通路眾多且複雜。

卡帕爾迪說:“我們的細胞有 30,000 種蛋白質,生物學家已經證明,如果控制生長的數千種蛋白質中的任何一種出現問題,那麼你就會患上疾病。” 「這是因為這些通路不像簡單的開關那樣工作。正如我們在新研究中所表明的那樣,它們的作用就像複雜的電路,甚至是計算機。”

事實上,就像電腦一樣,訊號網路也有所謂的集線器。 TOR 和 PKA 路徑充當樞紐,因為它們彼此高度相連,並且與細胞中數百種其他蛋白質和路徑高度相連。 結果,當這些集線器中的任何一個損壞時,整個系統都會崩潰,就像我們在網路上發現的那樣。

例如,低效率的 TOR 可能會導致臨床憂鬱症。 TOR 過度活躍會導致癲癇,TOR 或 PKA 過度活躍會導致癌症。

「最重要的收穫訊息是以這種方式思考細胞中的所有不同路徑- 也就是說,思考通路如何協同工作以提供精確控制。除非我們能夠設計出真正有效的藥物,否則我們將無法設計出真正有效的藥物。」做,」他說。

「我希望我們的研究能夠沿著同一主題繼續下去,」卡帕爾迪補充道。 “我們將繼續努力弄清楚生長控製網絡的不同部分如何協同工作。有成百上千的信號通路相互連接,但我們仍然不知道它們如何或為何相互通信。我們還有很多東西需要學習。”

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來源: 尤里克警報!

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