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Kontrolltheorie: Mutter Natur ist eine Ingenieurin

Kontrolltheorie: Mutter Natur ist eine Ingenieurin

Universität von Arizona Pressemitteilung vom 8. August 2019

In den letzten 150 Jahren haben Ingenieure Methoden zur Stabilisierung dynamischer Systeme ohne Verzögerung oder Überschwingen mithilfe der sogenannten Kontrolltheorie entwickelt und gemeistert. Jetzt hat ein Team von Forschern der University of Arizona gezeigt, dass Zellen und Organismen komplexe biochemische Kreisläufe entwickelten, die den Prinzipien der Kontrolltheorie folgen, und zwar Millionen von Jahren, bevor der erste Ingenieur den Bleistift zu Papier brachte.

Denken Sie zum Beispiel an Ihre Klimaanlage zu Hause. Sie stellen die Temperatur auf 82 Grad ein und machen sich auf den Weg zur Arbeit. Wenn Sie nach einem langen, heißen Tag zurückkommen, stellen Sie die Temperatur auf 72 Grad ein. Ihre Klimaanlage bläst dann kalte Luft in Ihr Zuhause, bis der Thermostat 72 Grad erreicht. Dies ist ein Analogon für die sogenannte Feedforward-Steuerung – Ihr Thermostat legt ein Ziel fest, nähert sich so schnell wie möglich der Temperatur von 72 Grad und schaltet sich aus, wenn es erreicht wird das Ziel.

Den Rest des Abends erkennt Ihre Klimaanlage, wenn die Temperatur von 72 °C abweicht, und schaltet sich in kleinen Schritten ein, um eine stabile Temperatur aufrechtzuerhalten. Dies ist ein Analogon für eine Rückkopplungsregelung, bei der kleine Abweichungen von der eingestellten Temperatur auf den Regler zurückgeführt werden und eine Anpassung des Systems bewirken.

Ein UA-Team entdeckte, dass die Kopplung zweier miteinander verbundener biochemischer Kreisläufe innerhalb einer Zelle – der TOR- und PKA-Wege – wie ein Thermostat funktioniert, um das Zellwachstum als Reaktion auf die Verfügbarkeit von Nährstoffen zu steuern. Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass Mutationen sowohl in PKA als auch in TOR Krankheiten verursachen; Die neue Forschung ergab, dass jeder Pfad seine eigene Rolle spielt, und hat genau herausgefunden, wie und warum die beiden Pfade zusammenarbeiten.

Die heute in Nature Communications veröffentlichte Studie wurde von Andrew Capaldi, außerordentlicher Professor für Molekular- und Zellbiologie und Mitglied des BIO5-Instituts, geleitet. Er und sein Team wollten wissen: Wenn sowohl TOR als auch PKA Gene aktivieren, die dazu führen, dass Zellen wachsen und sich als Reaktion auf Nährstoffe ein- und ausschalten, warum benötigt die Zelle dann beide Wege, um das Wachstum zu steuern?

Zellen passen sich ständig an das an, was in ihrer Umgebung verfügbar ist. Sie fanden heraus, dass der TOR-Weg dafür sorgt, dass die Zelle in einem angemessenen (angepassten) Tempo voranschreitet, wenn einer Zelle ständig Nährstoffe zur Verfügung stehen. Aber wenn eine Zelle plötzlich reich an einem bestimmten Nährstoff wird, schaltet der PKA-Weg einen Gang ein und löst eine 25-fache Steigerung der Genproduktion aus, bevor er sich selbst abschaltet und die weitaus präzisere TOR-Steuerung wieder übernimmt. Ohne PKA würde die Reaktion von TOR auf den Nährstoffzufluss verzögert sein.

„Wenn Sie nur den TOR-Signalweg hätten, würden Sie sich immer mit einer guten Geschwindigkeit replizieren. Das Problem wäre, dass es bei sich ändernden Bedingungen Stunden dauern würde, bis eine Zelle ihre Wachstumsrate angepasst hätte. Also hat die Natur PKA hinzugefügt“, sagte Capaldi. Wenn Ihnen die Nährstoffe ausgehen, kann PKA auch schnell abschalten, damit TOR wieder die Kontrolle übernimmt. „Was passiert, ist, dass Sie zwei Kontrollen haben – eine, deren Aufgabe es ist, die Reaktion zu beschleunigen, und die andere, die dafür sorgt, dass sie genau richtig bleibt.“

Chemieingenieure nutzen das gleiche Prinzip, um die Temperatur streng zu kontrollieren.

„Oft müssen Chemikalien eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten, sonst kommt es zu unerwünschten Nebenreaktionen. Deshalb bauen Ingenieure einen Thermostat in die chemische Mischkammer ein“, sagte Capaldi. „Nehmen wir an, die nächste Stufe einer Reaktion wird eine Menge Wärme erzeugen. Sie verwenden eine Vorwärtssteuerung wie PKA, um die Temperatur schnell anzupassen, und dann übernimmt die Rückkopplungssteuerung, um sie wie TOR konstant zu halten.“

Da Zellen unglaublich präzise sein müssen, sind die Zellwege zahlreich und komplex.

„Unsere Zellen bestehen aus 30.000 Proteinen, und Biologen haben gezeigt, dass man eine Krankheit bekommen kann, wenn in einem von einigen Tausend, die das Wachstum steuern, etwas nicht stimmt“, sagte Capaldi. „Das liegt daran, dass diese Pfade nicht als einfache Ein- und Ausschalter funktionieren. Wie wir in unserer neuen Studie gezeigt haben, funktionieren sie wie komplexe Schaltkreise, sogar wie Computer.“

Tatsächlich verfügen Signalnetzwerke wie Computer über sogenannte Hubs. Die TOR- und PKA-Wege fungieren als Knotenpunkte, da sie eng miteinander verbunden sind, ebenso wie mit Hunderten anderer Proteine ​​und Wege in der Zelle. Wenn einer dieser Hubs ausfällt, stürzt das gesamte System ab, genau wie wir es beim Internet erleben.

Beispielsweise kann eine unterproduktive TOR zu einer klinischen Depression führen. Überaktives TOR führt zu Epilepsie und überaktives TOR oder PKA führt zu Krebs.

„Die wichtigste Botschaft zum Mitnehmen besteht darin, auf diese Weise über alle verschiedenen Pfade in einer Zelle nachzudenken – das heißt, darüber nachzudenken, wie Pfade zusammenarbeiten, um eine präzise Kontrolle zu gewährleisten. Wir werden nicht in der Lage sein, wirklich wirksame Medikamente zu entwickeln, bis wir tun“, sagte er.

„Ich möchte, dass unsere Forschung dem gleichen Thema folgt“, fügte Capaldi hinzu. „Wir werden weiterhin versuchen herauszufinden, wie verschiedene Teile des Wachstumskontrollnetzwerks zusammenarbeiten. Es gibt Hunderte und Aberhunderte von Signalwegen, die miteinander verbunden sind, aber wir wissen immer noch nicht, wie oder warum sie miteinander kommunizieren. Da.“ ist einfach so viel, was wir noch lernen müssen.“

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Quelle: EurekAlert!

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Mikayla Mace
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