Optimalisering: Et teoretisk prinsipp som er prediktivt for biologi

Av Emily Reeves, 19. september 2024. Oversatt herfra.

Bilde 1. Fruktfluer

Er biologiske mekanismer optimalisert, eller fungerer de dårlig, bevis på deres 'dårlige design'? William Bialek, professor i fysikk ved Princeton, har oppdaget at det å anta organismer bruker optimaliserte mekanismer for å utføre sine mest avgjørende oppgaver er kvantitativt testbart. Og i det minste i flere testede tilfeller, viser antakelsen om optimalitet seg å være riktig.

Estetikken for optimalisering
Men å anta optimalitet bekymrer mange forskere. Bialek bemerker, "Optimalisering kommer sammen med en estetikk som du kanskje ellers ikke finner appellerende." (Bialek 2024) Han skriver, "For noen er optimalisering åpenbar fordi evolusjonen har hatt milliarder av år for å få ting riktig. For andre er optimalisering tull fordi evolusjon ikke handler om å være best, men om å være bedre enn konkurrenten. ! Det ser ut til at Bialek antyder her, er at svært optimaliserte systemer ikke historisk har vært en prediksjon av darwinistisk evolusjon, men snarere av intelligent designteori.

I fysikkens verden er forventningen at et bredt spekter av fenomener kan forklares ved å bruke et lite antall prinsipper. Faktisk blir bevegelsen av sol og måne, til og med værmønstre, forstått på denne måten. Men det samme kan ikke sies om livet! Eller kan det? Livet er tross alt annerledes. Det organiserer seg selv med fantastisk nøyaktighet og viser mangfold utover vår evne til å forestille seg. Som fysiker spør Bialek: Er det noe med mangfoldet i livet som kan forklares med et lite sett med generelle prinsipper? Hva er de teoretiske prinsippene for biologi?

Å bygge en fruktflue
I sin nylige artikkel, "Ambisjoner for teori i livets fysikk" -lenke, skisserer Bialek et teoretisk prinsipp i livet som optimalisering av informasjonsflyten. Som illustrasjon tilbyr han utviklingen av en fruktflue fra en enkelt celle til en flercellet organisme.
Bare tre timer etter at et egg er lagt, kan planen for dyrets segmenter observeres gjennom fluorescensmikroskopi av spesielle proteiner. Disse proteinene, som danner distinkte striper, er produktene fra bare åtte gener, og syntesen av disse proteinene styres av regulatoriske gener kjent som gapgener.

Når moren legger et egg, gir hun tre viktige informasjonsholdige innganger for å sette i gang den utsøkte segmenteringen av mønsteret i embryoet. Disse inngangene har en enkel distribusjon: Den ene er høy ved en pol av egget, en annen er høy ved motsatt pol, og den tredje er høy i midten. Disse opprinnelige inngangene aktiverer gapgenene, som igjen samregulerer hverandre. Gapgenene regulerer deretter parregel-genene, som etablerer blåkopien for insektets segmenterte kropp. For å bygge en fruktflue, strømmer informasjon fra opprinnelige innganger, gjennom gap-gennettverket, og til slutt til parregelgenene som produserer det stripete mønsteret. Denne informasjonsflyten er nær den teoretiske optimale.
Bialek har tatt disse biologiske observasjonene og fluorescerende bilder og oversatt dem til matematiske ligninger. Men hvordan gjorde han og teamet dette nøyaktig? Fysikere analyserer biologi ved bruk av matematiske begreper for å modellere biologiske fenomener. For eksempel kan de modellere syntesen av gen B, som avhenger av gen A, ved bruk av en ligning som beskriver endringshastigheten til en variabel som proteinkonsentrasjon over tid, der den første termen i ligningen representerer syntesehastigheten og den andre termen, som trekkes fra den første, representerer forfallet.

Bilde 2. Fluorescens

Bemerkelsesverdig presisjon
Utfallet av Bialeks elegante matematiske beskrivelser er at celler identifiserer sin posisjon i det utviklende flueembryoet med bemerkelsesverdig presisjon - nøyaktighet til innen 1 prosent - ved bruk av konsentrasjonen av gapproteinene. Tenk på gapprotein 2 som har en høy konsentrasjon midt i embryoet. Celler i denne regionen opplever den maksimale konsentrasjonen av gapprotein 2 og dermed 'vet' de er i midten. Dette proteinet gir presis informasjon i sentrum, men har tvetydighet over flankene og usikkerheten i endene. Hvis dette var det eneste gap -proteinet, ville celler i hodet og halen på embryoet ikke kunne skilles ut. Tilstedeværelsen av flere gapproteiner fjerner imidlertid denne tvetydigheten, slik at celler kan bestemme sin posisjon. For at dette skal skje, må celler lese ut informasjonen i gap -proteinkonsentrasjonen optimalt.

Dermed er ikke bare måling av konsentrasjonen optimal, men konsentrasjonen av inngangene virker også optimalisert. Bialek antar at konsentrasjonen av opprinnelige innganger bør sentreres på punktet med maksimal følsomhet i tillegg til å bli fordelt langt nok fra hverandre til at de kan drive produksjonen av gapproteinene gjennom det komplette dynamiske området.

Bialek bemerker at den beste måten å oppnå dette på er å 'bruke innganger i omvendt forhold til støynivået.' Med støy mener han svingningen i konsentrasjonen rundt gjennomsnittet. Bialek sier at dette er nøyaktig hvordan vi kommuniserer - dvs. vi unngår å bruke ord vi ikke kan stave, eller når vi snakker et fremmedspråk, styrer vi unna grammatikk som vi kan bruke feil. Bialek melder at det er dette som skjer i det utviklende flueembryoet: "Dermed spår optimalisering av informasjonsoverføring et samsvar mellom posisjonsstøynivået og fordelingen av celleposisjoner, og denne matchen er tilstrekkelig god til at den bringer embryoet innen 2 prosent av det optimale! Etter analyse virker faktisk konsentrasjonene av inngangene optimalisert: "På en eller annen måte konspirerer signalet og støyen (og til og med kovarianser) i alle fire gapgenene til å generere nesten konstant presisjon."

Bilde 3. Avveining mellom ytelse vs. kostnad er inkludert i optimalisering

Oppsummert

Optimalisering av informasjonsstrøm i biologiske systemer (som betyr at informasjonsstrømmen fra opprinnelige innganger, gjennom GAP-gennettverket og deretter parregelgenene, noe som resulterer i cellens kapasitet til å måle sin posisjon på 1 prosent nøyaktighetsnivå) ikke bare er et fascinerende studieområde. Det er også en kraftig demonstrasjon av hvordan det å anta optimalitet - best mulig design - kan gi dyp innsikt i livets kompleksitet.

Bilde 4. Avveining mellom ytelse vs. kostnad i hjernen

Bialeks funn har konsekvenser for teorier om opprinnelse, nemlig evolusjon og design. For eksempel krever Bialeks demonstrasjon av at optimalisering er til stede i fruktflueutvikling, evolusjonsbiologi for å demonstrere at mekanismen for tilfeldig mutasjon og naturlig seleksjon kan presses til slik optima. Bialek antar selv at dette er tilfelle. Men det eksisterer allerede sterke bevis for at evolusjonen verken har tid eller kreativitet til å utforske frihetsgrader som er nødvendig for å komme frem til slik optima (her, her og her).

Design og prosjektering, derimot, presenterer et overbevisende alternativ. Designere, opererer etter sin natur, med framsyn og intensjon, egenskaper som virker nødvendige for å oppnå optimaliserte systemer. Og vi vet at optimalitet er noe designere kan oppnå, fordi de opererer utenfor systemet med en større forståelse av målene og med evnen til å bruke matematiske abstraksjoner. Til syvende og sist må det vitenskapelige samfunnet forbli åpent for hvilken teori som best samsvarer med dataene, slik at bevis, snarere enn forhåndsoppfatninger, kan veilede debatten. Jeg håper Bialeks arbeid utfordrer oss alle for å vurdere mekanismene bak den bemerkelsesverdige optimaliteten som er observert i biologiske systemer.

Referanse: Bialek, William. 2024. "Ambitions for Theory in the Physics of Life." SciPost Physics Lecture Notes, no. 84 (August). https://doi.org/10.21468/scipostphyslectnotes.84.

Bilde 5. Emily Reeves

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.