2019-08-08 23:04:01
控制理论大自然是一名工程师

在过去的150年中,工程师使用所谓的控制理论开发并掌握了稳定动态系统的方法,没有滞后或超调。现在,亚利桑那大学的一个研究小组已经证明,细胞和生物进化出复杂的生物化学回路,遵循控制理论的原理,在第一位工程师将铅笔放到纸上数百万年之前。

以您的家用空调为例。您将温度设置为82度并开始工作。在漫长而炎热的一天后返回时,将温度设置为72度。然后你的空调将冷空气吹进你的家,直到恒温器达到72.这就是所谓的前馈控制的模拟 - 你的恒温器设定一个目标,尽可能快地接近72度,并在它遇到时关闭目标。

晚上的剩余时间,您的空调会感应温度偏离72°并以小爆发开启以保持稳定的温度。这是用于反馈控制的模拟,其中从设定温度反馈到控制器的小波动导致系统调整。

UA团队发现,细胞内两个相互连接的生物化学回路--TOR和PKA途径 - 的耦合就像恒温器一样,可以控制细胞的生长,以应对营养素的可用性。几十年来,人们都知道PKA和TOR的突变都会导致疾病;新的研究发现,每个途径都有其独特的作用,并精确地阐明了这两种途径如何以及为何如此协同作用。

该研究发表在Nature Communications上,由分子和细胞生物学副教授和BIO5研究所成员Andrew Capaldi领导。他和他的团队想知道,如果TOR和PKA都能激活导致细胞生长的基因,并根据营养物质开启和关闭,那么为什么细胞需要这两种途径来控制生长?

细胞不断适应环境中的可用性。他们发现当细胞有稳定的营养素时,TOR途径可以确保细胞以适当的(匹配的)速度突然出现。但当一个细胞突然富含某种营养素时,PKA途径会转变为齿轮并触发基因产生增加25倍,然后再关闭并让更精确的TOR控制器再次接管。如果没有PKA,TOR对营养物质流入的反应将会滞后。

“如果你只是拥有TOR途径,那么你总是会以一个很好的速度进行复制。问题是,当条件发生变化时,需要一个小时来调整其生长速度。因此大自然增加了PKA,”Capaldi说。当你的营养不足时,PKA也可以快速关闭东西,让TOR再次接管。 “发生了什么事情,你有两个控制 - 一个是加快响应的工作,另一个是保持完全正确。”

化学工程师使用相同的原理来严格控制温度。

“通常情况下,化学品必须保持一定的温度,否则你最终会产生不必要的副反应。因此,工程师在化学混合室内加一个恒温器,”Capaldi说。 “让我们说下一阶段的反应会产生大量的热量。他们使用像PKA这样的前馈控制来快速调节温度,然后反馈控制接管以保持稳定,就像TOR一样。”

因为细胞必须非常精确,细胞通路很多且复杂。

“我们的细胞有30,000种蛋白质,生物学家已经证明,如果控制生长的几千种中的任何一种出现任何问题,那么你就可以得到一种疾病,”卡帕尔迪说。 “这是因为这些路径不能像简单的开关一样工作。正如我们在新研究中所表明的那样,它们就像复杂的电路,甚至是计算机。”

实际上,与计算机一样,信令网络也有所谓的集线器。 TOR和PKA途径充当中枢,因为它们彼此高度连接,以及细胞中数百种其他蛋白质和途径。结果,当这些集线器中的任何一个被破坏时,整个系统就会崩溃,就像我们在互联网上发现的那样。

例如,产生不足的TOR可导致临床抑郁。过度活跃的TOR导致癫痫,过度活跃的TOR或PKA导致癌症。

“最重要的传承信息是以这种方式思考细胞中的所有不同途径 - 即考虑如何协同作用以提供精确控制。我们将无法设计真正有效的药物,直到我们做,“他说。

“我希望我们的研究能够继续沿着同一主题进行,”卡帕尔迪补充道。 “我们将继续努力弄清楚增长控制网络的不同部分是如何协同工作的。有数百个信号通路相互连接,但我们仍然不知道它们之间是如何或为何相互通信的。 我们还有很多需要学习的东西。“

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