Gjennomgangsartikkel utforsker designmønstre i biologiske celler
Av Emily Reeves, 1. august 2024. Oversatt herfra

En utmerket gjennomgangsartikkel, "Design Patterns of Biological Cells"-lenke, publisert tidligere i år i Bioessays, viser at designmønstre er "generaliserte løsninger på tilbakevendende problemer." (Andrews, Wiley og Sauro 2024) The Theory of Intelligent Design (ID), som antyder at visse aspekter av naturen er bedre forklart av intelligent byrå enn av lovlignende regelmessigheter og tilfeldige hendelser, forutsier designmønstre i naturen. Dette er fordi designmønstre er teknisk avledede løsninger - avledet av designere - til utfordringer som oppstår innen designrommet.

Forfatterne gjennomgår tre typer designmønstre. For hver, vil jeg velge en underkategori og legge den ut litt mer detaljert. Jeg vil deretter henvende meg til å diskutere hvordan hvert designmønster krever direkte handlinger fra en intelligent agent.

Her er de tre kategoriene:
"Skapende" beskriver tilbakevendende mønstre for å bygge komponenter i cellen.
"Strukturelle" beskriver sammenkoblinger eller forhold mellom objekter i cellen.
"Atferd" beskriver oppførselen til cellulære objekter gjennom tid.

Bilde 1. En løkcelle

Byggende (skapende) designmønstre
Andrews et al. Identifiser fem underkategorier for byggende designmønstre. Den første av disse underkategoriene er templering. Celler må opprettholde informasjonen i DNA og forhindre at den blir ødelagt av tid og sjanse. Løsningen på dette problemet er å lage en mal der den opprinnelige informasjonen er trofast samlet eller kopiert. Maler i cellen inkluderer DNA -replikasjon, transkripsjon og oversettelse. Maler peker på en intelligent agent bak utformingen fordi det krever forståelse av kreftene som er pålagt av fysikkens og kjemi -lovene som må overvinnes for å bevare informasjon. Maler krever også framsyn for å forestille seg en løsning, oppfinne irreduserbart komplekse molekylære maskiner som DNA -polymerase, RNA -polymerase og ribosomet. Til slutt krever templering å opprette selve informasjonen, den fysiske DNA -koden for polymeraser og ribosom.

Strukturelle designmønstre
Struktursmønstre er designmønstre basert på objekt-til-objekt forhold. For strukturelle mønstre, Andrews et al. Identifiser seks underkategorier. Av disse er den tredje vanlig valuta.
På tvers av celler er det mange vanlige metabolitter, inkludert vanlige lagrings-former for energi, for eksempel ATP. Tradisjonelt har dette blitt tilskrevet felles aner, men det er en kritisk designbasert grunn til dette. å bruke en felles valuta forenkler interaksjoner mellom objekter. For eksempel er det lettere å fylle bilen din med bensin når bensin er en vanlig valuta fordi uansett hvor du reiser, trenger andre mennesker bensin for bilene sine, så sjansen er stor for at du finner den for salg. Her er et annet eksempel: Det er lettere å kjøpe dagligvarer med en felles valuta, for eksempel den amerikanske dollaren, fordi du ikke trenger å stoppe og veksle pengene dine før du kjøper, og sannsynligvis betaler et gebyr for å gjøre det.

Celler står overfor lignende begrensninger. De er avhengige av visse produsenter av energi til bestemte tidspunkter og pådrar seg en kostnad for energisamlinger. Dermed er ATP sannsynligvis en designet løsning på de nevnte kravene. Andrews et al. Påpek at det topologiske mønsteret av felles valuta har en "slips" -arkitektur. I denne typen arkitektur blir mange næringsstoffer omgjort til en felles valuta (knuten) som deretter kan utvide for å oppnå mange forskjellige ting. Dette designmotivet krever en intelligent agent fordi målene for økosystemet og organismer må evalueres før de kommer med en valuta som kan fungere mellom objekter på lavere nivå. Dette innebærer en forståelse av hvordan alt vil være sammenheng og hva som er mulig i designrommet til fysikk og kjemi, etterfulgt av planlegging og implementering. Bare en intelligent agent har disse mulighetene, som ikke er tilgjengelige for tilfeldige prosesser.

Bilde 2. Typer av design mønstre

Atferdsdesignmønstre
Atferdsdesignmønstre fokuserer på dynamikken i reaksjonsnettverk. Andrews et al. Identifiser åtte slike mønstre. For eksempel er det svitsjing, som oppstår når et kontinuum ved inngangen må konverteres til en diskret utgang. De vanligste måtene å oppnå dette på er ved å bruke ultrasensitivitet eller bistabilitet. Ultrasensitive brytere letter en skarp terskelrespons, og sikrer at systemet er fullt i den ene eller den andre tilstanden, snarere enn i en mellomtilstand. Dette kan oppnås på forskjellige måter. Et klassisk eksempel på ultrasensitivitet i biologi er den nødvendige bryteren av hemoglobin fra å binde oksygen i lungene til å frigjøre det i musklene. Dette utføres gjennom allosterisk utforming av hemoglobin. Når det delvise trykket av oksygen er høyt (i lungene), gjør binding av ett molekyl oksygen binding av neste oksygenmolekyl enklere. Det er viktig at når man plotter prosentandelen av hemoglobin bundet til oksygen kontra det delvise trykket av oksygen, er kurven logaritmisk, ikke hyperbolsk. Den logaritmiske formen forteller oss at i lungene er binding av oksygen enklere etter at det første molekylet binder seg og frigjøring av oksygen blir enklere i muskelen etter at det første molekylet er sluppet.

Bilde 3. Eksemplene er fra systembiologi

Ultrasensitivitet, representert med den logaritmiske kurven, kan oppnås på en annen måte. Anta at det er en fosforylering-defosforyleringssyklus der kinase og fosfatase fungerer på metningsnivåer og har hastighetskonstanter som er uavhengige av konsentrasjonen i deres underlag. Selv om det ikke er rikelig klart før dette er plottet grafisk, er responsen også ultrasensitiv, dvs. logaritmisk. Gitt disse forholdene, kan syklusen veksle kraftig mellom å være nesten helt i en tilstand til å være nesten helt i den andre tilstanden. (Ferrell og HA 2014b)
En annen måte ultrasensitivitet fungerer på er ved å ha flere fosforyleringssteder på en kinase der kinasen ikke er aktiv før den endelige fosforylering, og hver påfølgende fosforylering er litt enklere enn den tidligere. (Ferrell og HA 2014a)

Nok et eksempel er konsentrasjonsbasert hemming. Her kan en tett bundet hemmer forhindre enzymaktivitet, frem til enzymkonsentrasjonen overgår den til hemmeren. På det tidspunktet blir ikke enzymet lenger hemmet, noe som fører til et plutselig bytte.

Et endelig og noe annet eksempel er positive tilbakemeldinger. Dette skjer hyppigere i utviklingsnettverk enn i sanse nettverk. Hvorfor er det tilfelle? Positive tilbakemeldinger bremser responstiden, noe som er fordelaktig for flerstegsprosesser som er tidkrevende eller inkluderer forsinkelser. Tregere responstider kan også bidra til å redusere støy, noe som er kritisk når du tar irreversible beslutninger. Imidlertid kan positiv regulering oppnå mer enn bare det. Positiv regulering kan ta kraftige beslutninger mellom to tilstander og huske disse beslutningene i lang tid, et fenomen kjent som bistabilitet. Vurder positive tilbakemeldinger i genregulering: Når et gen er aktivert ved positiv autoregulering, er det låst På. Genet vil forbli forhøyet selv etter at inngangen er forsvunnet, noe som gir langtidsminne om at inngangen eksisterte. Denne typen bytte brukes under utvikling for å ta irreversible beslutninger som forplikter en celle til en spesifikk skjebne. (Alon 2019)

Bilde 4. Ulike typer av feedback-mekanismer

Hvorfor peker motivet om svitsj-design mot intelligens? å designe en effektiv bryter krever forståelse av systemet og hva som må kontrolleres " - hva må slås av eller på på hvilket tidspunkt?" Tatt i betraktning om kontroll skal være manuell eller automatisert er nødvendig. I tillegg krever det å bygge passende brytere kunnskap om sikkerhet. Bytting er også ofte nødvendig i sekvensielle operasjoner. Type bryter, følsomhet for bryteren, konstruksjonen av bryteren og bryterens kompatibilitet må alle gjennomtenkes gjennom tid. Hver bryter fungerer på en viss måte i systemet slik at det ser ut til å 'kjenne' eller 'forutse' annen bryteratferd slik at mer kompleks oppførsel kan produseres.

Hvorfor studere disse designmønstrene?
Det er nyttig å samle en liste over løsninger som celler bruker for å løse spesifikke problemer. Designmønstre teoretiserer et bredt spekter av cellefunksjoner i et håndterbart sett med distinkte mønstre koblet til funksjonene de tjener, ved å vise hvordan de løser visse problemer. å se på disse, som vi gjorde med eksemplet på de forskjellige måtene ultrasensitivitet for øyeblikket er kjent for å være oppnådd, gir en dypere forståelse av hvorfor cellulære mekanismer fungerer slik de gjør. Følgelig gir designmønstre i celler også en enestående illustrasjon av hvordan designbasert tenkning kan fremme vår forståelse av biologi.

For referanser, se slutten ar artikkelen

Emily Reeves -Bilde 5. Emily Reeves er en biokjemiker, metabolsk ernæringsfysiolog og aspirerende systembiolog. Hennes doktorgradsstudier ble fullført ved Texas A&M University i biokjemi og biofysikk. Emily er for tiden en aktiv kliniker for metabolsk ernæring og ernæringsmessig genomikk ved Nutriplexity. Hun liker å identifisere og designe ernæringsintervensjon for subtile medfødte metabolismefeil. Hun jobber også med stipendiater fra Discovery Institute og det større vitenskapelige samfunnet for å fremme integrering av ingeniørfag og biologi. Hun tilbringer helgene på oppdagingsferd med mannen sin, brygge Kombucha og løpe i nærheten av Puget Sound.

Musikk til Guds ære: Forever.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund