บทความอายุยืน

ทฤษฎีการควบคุม: ธรรมชาติคือวิศวกร

ทฤษฎีการควบคุม: ธรรมชาติคือวิศวกร

มหาวิทยาลัยแอริโซนา ข่าวประชาสัมพันธ์ 8 ส.ค. 2562

ในช่วง 150 ปีที่ผ่านมา วิศวกรได้พัฒนาและเชี่ยวชาญวิธีการต่างๆ เพื่อทำให้ระบบไดนามิกมีเสถียรภาพ โดยไม่เกิดความล่าช้าหรือเกินขอบเขต โดยใช้สิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีการควบคุม ขณะนี้ ทีมนักวิจัยของมหาวิทยาลัยแอริโซนาได้แสดงให้เห็นว่าเซลล์และสิ่งมีชีวิตพัฒนาวงจรชีวเคมีที่ซับซ้อนซึ่งเป็นไปตามหลักการของทฤษฎีการควบคุม เป็นเวลาหลายล้านปีก่อนที่วิศวกรคนแรกจะเขียนดินสอลงบนกระดาษ

ลองพิจารณาเครื่องปรับอากาศในบ้านของคุณเป็นตัวอย่าง คุณตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 82 องศาแล้วออกไปทำงาน เมื่อคุณกลับมาหลังจากเหน็ดเหนื่อยมาทั้งวัน คุณตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 72 องศา จากนั้น เครื่องปรับอากาศจะเป่าลมเย็นเข้าไปในบ้านจนกว่าเทอร์โมสตัทจะมีอุณหภูมิถึง 72 องศา ซึ่งเป็นระบบอะนาล็อกที่เรียกว่าการควบคุมแบบป้อนไปข้างหน้า โดยเทอร์โมสตัทจะตั้งเป้าหมาย ปรับอุณหภูมิให้ใกล้ถึง 72 องศาโดยเร็วที่สุด และปิดเมื่ออุณหภูมิถึง 72 องศา เป้าหมาย.

ส่วนที่เหลือของตอนเย็น เครื่องปรับอากาศของคุณจะตรวจจับเมื่ออุณหภูมิเบี่ยงเบนไปจาก 72 และเปิดทำงานเป็นช่วงสั้นๆ เพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ นี่คือแอนะล็อกสำหรับการควบคุมป้อนกลับ ซึ่งมีความผันผวนเล็กน้อยจากอุณหภูมิป้อนกลับที่ตั้งไว้ไปยังตัวควบคุม และทำให้ระบบปรับเปลี่ยน

ทีมงาน ua ค้นพบว่าการเชื่อมต่อของวงจรชีวเคมีสองวงจรที่เชื่อมต่อกันภายในเซลล์ - ทางเดิน tor และ pka - ทำงานเหมือนเทอร์โมสตัทเพื่อควบคุมการเจริญเติบโตของเซลล์เพื่อตอบสนองต่อความพร้อมของสารอาหาร เป็นที่ทราบกันมานานหลายทศวรรษว่าการกลายพันธุ์ทั้งใน pka และ tor ทำให้เกิดโรค การวิจัยครั้งใหม่พบว่าแต่ละเส้นทางมีบทบาทที่แตกต่างกันและเผยให้เห็นอย่างชัดเจนว่าทำไมทั้งสองเส้นทางจึงทำงานร่วมกัน

การศึกษาซึ่งตีพิมพ์ในวันนี้ใน nature communications นำโดยรองศาสตราจารย์ด้านอณูชีววิทยาและเซลล์และสมาชิกสถาบัน bio5 andrew capaldi เขาและทีมงานของเขาต้องการทราบว่า ถ้า tor และ pka กระตุ้นยีนที่ทำให้เซลล์เติบโต เปิดและปิดเพื่อตอบสนองต่อสารอาหาร แล้วเหตุใดเซลล์จึงต้องการทั้งสองเส้นทางเพื่อควบคุมการเจริญเติบโต

เซลล์มีการปรับตัวเข้ากับสิ่งที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง พวกเขาค้นพบว่าเมื่อเซลล์มีสารอาหารเพียงพอ วิถีทาง tor จะช่วยให้แน่ใจว่าเซลล์จะเคลื่อนตัวไปในจังหวะที่เหมาะสม (ตรงกัน) แต่เมื่อเซลล์ได้รับสารอาหารบางอย่างอย่างกะทันหัน เส้นทาง pka จะเปลี่ยนไปเป็นเกียร์และกระตุ้นการผลิตยีนเพิ่มขึ้น 25 เท่า ก่อนที่จะปิดตัวเองลง และปล่อยให้ตัวควบคุม tor ที่แม่นยำยิ่งขึ้นเข้ามาควบคุมอีกครั้ง หากไม่มี pka การตอบสนองของ tor ต่อการไหลเข้าของสารอาหารก็จะล่าช้า

“ถ้าคุณมีวิถี TOR คุณจะทำซ้ำอย่างรวดเร็วเสมอ ปัญหาก็คือเมื่อเงื่อนไขเปลี่ยนแปลง จะใช้เวลาหลายชั่วโมงในการปรับอัตราการเติบโตของเซลล์ ดังนั้นธรรมชาติจึงเพิ่ม PKA” Capaldi กล่าว เมื่อคุณขาดสารอาหาร PKA ยังสามารถปิดสิ่งต่างๆ ได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้ TOR เข้ามาแทนที่อีกครั้ง “สิ่งที่เกิดขึ้นคือคุณมีตัวควบคุมสองแบบ ตัวแรกมีหน้าที่เร่งการตอบสนอง และอีกตัวควบคุมให้ถูกต้อง”

วิศวกรเคมีใช้หลักการเดียวกันในการควบคุมอุณหภูมิอย่างเข้มงวด

“บ่อยครั้งที่สารเคมีต้องรักษาอุณหภูมิให้คงที่ ไม่เช่นนั้นคุณจะพบกับปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ ดังนั้น วิศวกรจึงติดตั้งเทอร์โมสตัทไว้ในห้องผสมสารเคมี” คาพัลดีกล่าว "สมมติว่าขั้นต่อไปของปฏิกิริยาจะทำให้เกิดความร้อนจำนวนมาก พวกเขาใช้การควบคุมการป้อนไปข้างหน้าเช่น PKA เพื่อปรับอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว จากนั้นการควบคุมป้อนกลับจะเข้ามาควบคุมเพื่อให้มันคงที่เหมือน TOR"

เนื่องจากเซลล์จะต้องมีความแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ เส้นทางของเซลล์จึงมีมากมายและซับซ้อน

“เซลล์ของเรามีโปรตีน 30,000 ชนิด และนักชีววิทยาได้แสดงให้เห็นว่า หากมีอะไรผิดปกติในหนึ่งในไม่กี่พันโปรตีนที่ควบคุมการเจริญเติบโต คุณก็อาจเป็นโรคได้” คาปัลดีกล่าว “นั่นเป็นเพราะเส้นทางเหล่านี้ไม่ได้ทำงานเหมือนกับสวิตช์เปิดและปิดธรรมดา ดังที่เราได้แสดงให้เห็นในการศึกษาใหม่ของเรา พวกมันทำหน้าที่เหมือนวงจรที่ซับซ้อน แม้แต่คอมพิวเตอร์”

ในความเป็นจริง เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์ เครือข่ายการส่งสัญญาณมีสิ่งที่เรียกว่าฮับ วิถี tor และ pka ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางเนื่องจากมีการเชื่อมต่อถึงกันอย่างมาก เช่นเดียวกับโปรตีนและวิถีทางอื่นๆ หลายร้อยชนิดในเซลล์ เป็นผลให้เมื่อฮับตัวใดตัวหนึ่งเสียหาย ระบบทั้งหมดก็ล่ม เช่นเดียวกับที่เราพบในอินเทอร์เน็ต

ตัวอย่างเช่น tor ที่ผลิตได้น้อยเกินไปอาจส่งผลให้เกิดภาวะซึมเศร้าทางคลินิกได้ tor ที่โอ้อวดส่งผลให้เกิดโรคลมบ้าหมู และ tor หรือ pka ที่โอ้อวดส่งผลให้เกิดมะเร็ง

"ข้อความนำกลับบ้านที่สำคัญที่สุดคือการคิดถึงวิถีทางต่างๆ ทั้งหมดในเซลล์ในลักษณะนี้ นั่นคือ ลองคิดถึงวิถีทางที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้การควบคุมที่แม่นยำ เราจะไม่สามารถออกแบบยาที่มีประสิทธิผลอย่างแท้จริงได้จนกว่าเราจะ ทำ" เขากล่าว

“ฉันต้องการให้การวิจัยของเราดำเนินต่อไปในหัวข้อเดียวกัน” Capaldi กล่าวเสริม "เราจะพยายามค้นหาต่อไปว่าส่วนต่างๆ ของเครือข่ายควบคุมการเติบโตทำงานร่วมกันอย่างไร มีเส้นทางการส่งสัญญาณหลายร้อยเส้นทางที่เชื่อมโยงถึงกัน แต่เรายังไม่รู้ว่าพวกเขาพูดคุยกันอย่างไรหรือทำไม เรายังต้องเรียนรู้อีกมาก"

###

แหล่งที่มา: ยูเรคแจ้งเตือน!

ติดต่อสื่อมวลชน

มิเคย์ล่า เมซ
mikaylamace@arizona.edu
520-621-1878

ทวิตเตอร์: @uarizona

uanews.arizona.edu



โพสต์ใหม่กว่า