Biofizyk Ilya Nemenman określiła parametry dla kilkunastu biochemicznych powiązań, które przekształcają  całe zachowanie tych systemów na proste, dynamiczne odpowiedniki. Odkrycie to może przyspieszyć proces masowego rozwoju leków i urządzeń diagnostycznych, poprzez upraszczanie modeli badaniowych. Wyniki badań są  obecnie dostępne w Internecie, a zostaną również opublikowane na łamach marcowego wydania Physical Biology.

„Wygląda na to, że detale złożoności systemu biologicznego nie mają znaczenia, dopóki niektóre z nich nie połączą się w całość, którą już  mamy skalkulowaną,” mówi Nemenman, profesor fizyki i biologii. To on sprawował pieczę nad przebiegiem analizy, we współpracy z Golan'em Bel i Brian'em Munsky z Narodowego Laboratorium Los Alamos. Prostota tego odkrycia czynie je „cudownym rezultatem", mówi Nemenman. „Mamy nadzieję,  że to teoretyczne odkrycie będzie mogło zostać wykorzystane również w praktyce,” dodaje uczony.

Nemenman mówi o molekułach poruszających się po jego biurze: „Wszystkie te zwariowane interakcje cząsteczek uderzających siebie nawzajem - każda z nich sprowadza się do prostej zasady: idealnego prawa gazu. Możesz podjąć marsz przez trudną ścieżkę studiowania dynamiki każdej, oddzielnej cząsteczki, albo możesz po prostu zmierzyć temperaturę, głośność i ciśnienie powietrza w tym pokoju. Druga metoda jest oczywiście o wiele prostsza, natomiast rezultat będzie taki sam”.

Nemenman starał się  odnaleźć podobne parametry w niezwykle złożonej dynamice sieci telefonii komórkowej, wliczając setki, a nawet tysiące zmiennych pomiędzy cząsteczkami wchodzącymi w interakcję. Kluczowymi pytaniami są: co determinuje poszczególne cechy sprawiające, że sieci te są ze sobą powiązane? I jeśli mają proste, odpowiadające sobie dynamiki - czy natura stworzyła je takimi złożonymi, aby wypełnić określoną funkcję biologiczną? Czy zbyteczna złożoność jest jedynie błędem powstałym w wyniku ewolucji?

W celu badań, profesor Nemenman i inni współautorzy pracujący nad badaniami zadali te pytania w kontekście kinetycznego schematu korekty (KPR). KPR jest mechanizmem, jaki komórka używa dla optymalnej kontroli jakości przy tworzeniu protein. KPR został przewidziany w latach siedemdziesiątych i odnosi się  do procesów związanych z sygnałem telefonii komórkowej. Składa się z setek elementów, a każdy z nich może mieć inne parametry.

Nemenman i jego koledzy zastanawiali się, czy schemat KPR mógłby zostać opisany prościej. „Z naszych kalkulacji wynika, że faktycznie istnieje kluczowa wartość całkowita," tłumaczy naukowiec. „Cały system postępowania, tak naprawdę ogranicza się tylko i wyłącznie do jednego parametru,” wyjaśnia badacz. To oznacza, że zamiast czasochłonnego i bolesnego testowania i mierzenia każdej wartości w procesie, można by przewidzieć błąd i wartość całkowitą systemu, opierając się na jednym, określonym parametrze.

Na wykazie graficznym całkowite postępowanie jest prostą linią pośród plątaniny innych, zakrzywionych linii. „Im większy i bardziej złożony staje się  system, tym bardziej widoczne jest jego całkowite postępowanie," mówi Nemenman. „Kompleksowy czas staje się prostszym, w miarę powiększania rozmiarów systemu,” dodaje badacz.

Aktualnie Nemenman kolaboruje z teoretycznym biologiem Emory, Rustom Antia badając, czy odkrycie może oddziaływać w jakiś sposób procesy komórek układu odpornościowego. W szczególności zainteresowany jest niesprawnościami poszczególnych receptorów odpornościowych zaangażowanych w reakcje alergiczne.   
„Może będziemy zdolni uprościć model dla receptorów odpornościowych - z trzech tysięcy elementów, do trzech", tłumaczy Nemenman. „Nie potrzebowano by wtedy super komputerów do testowania różnych mieszanek na receptorach, ponieważ nie trzeba było by symulować każdego poszczególnego kroku, a jedynie ich wartość całkowitą". wyjaśnia badacz.

Tak jak odkrycie idealnego prawa gazu, które doprowadziło do wynalezienia silnika i samochodów, Nemenman wierzy, że uproszczenie wartości biochemicznych mogłoby prowadzić do udoskonalenia technologii w zakresie ludzkiego zdrowia.

Źródło: www.sciencedaily.com