Главные Новости
Владимир Зеленский Техно Кино Автоновости
Биоинженерное руководство по дизайну
Автор: Allnewsua.live

Команда исследователей в Калифорнийском технологическом институте разработала ряд руководящих принципов для проектирования биологических схем с использованием инструментов из машиностроения и электротехники. Подобно электрическим цепям, но сделанным из клеток и живого вещества, биологические схемы демонстрируют многообещающие перспективы в производстве фармацевтических препаратов и биотоплива.

Например, противомалярийное соединение артемизинин производится дорогим тропическим растением, поэтому ученые из Калифорнийского университета в Беркли разработали метаболизм растения в дрожжевые клетки, чтобы синтезировать артемизинин без использования растений или почвы. Однако способность прогнозировать поведение этих схем - спроектировать их на бумаге и затем успешно реализовать проект - все еще находится в зачаточном состоянии.

Набор принципов проектирования биоинженерии, описанных в этой новой работе, может сделать создание клеточных систем более эффективным и предсказуемым.

«Нам нравится говорить так: если бы вы проектировали самолет, вы бы не начали с создания 1000 различных самолетов и запуска их всех в небо, чтобы посмотреть, какие из них полетели», - говорит ведущий автор Ноа Олсман (PhD '19). бывший аспирант Калифорнийского технологического института, а ныне аспирант в Гарварде. «Вместо этого вы начнете с изучения математики и физики, которые важны для полета. Точно так же процесс проектирования биологических схем может действительно выиграть от некоторых количественных руководящих принципов ».

Биологические системы постоянно измеряют свою среду и адаптируются для поддержания гомеостаза - сбалансированного, устойчивого состояния. Наши глаза приспосабливаются к свету и темноте, и наши тела поддерживают примерно одинаковую внутреннюю температуру, независимо от того, находимся ли мы в жаре или в морозную метель. Даже отдельные клетки, фундаментальные единицы жизни, сталкиваются с чрезвычайно изменчивыми условиями и делают точные измерения и корректировки, чтобы выжить. Процесс измерения внешнего мира и внесения внутренних изменений в ответ называется обратной связью.



Обратная связь обычно изучается в технике. Одним из примеров разработанной системы обратной связи является режим круиз-контроля автомобиля - автомобиль измеряет свою скорость и соответственно изменяет ускорение или замедление, производит другое измерение скорости, вносит любые необходимые изменения и так далее. Кроме того, термостат в доме предназначен для использования обратной связи, измерения внешней температуры, а затем нагревания или охлаждения по мере необходимости.

В идеале система должна быстро достичь желаемого состояния и быть устойчивой к большим или маленьким возмущениям. Но при проектировании систем у инженеров часто не бывает всего этого. Например, функции, которые делают мотоцикл более эффективным и маневренным, чем автомобиль, также значительно облегчают аварию. Раздел инженерии, называемый теорией управления, математически описывает эти компромиссы производительности.

Теперь в двух новых исследовательских работах Олсман и его коллеги используют теорию управления, чтобы изложить принципы построения биологических систем.

«Главный вопрос в биологии: можем ли мы понимать биологические системы так, как мы понимаем электрические цепи или механические устройства? Можем ли мы понять, как клетки соединяют молекулярные компоненты, чтобы создать жизнь, и можем ли мы сами это сконструировать? »- говорит Олсман. «Как понимание цифровых схем ведет к созданию ноутбука, так и понимание сотовых сетей позволит нам самим создавать биологические системы».

Олсман и его сотрудники изучили простую бактериальную модель обратной связи, разработанную другой командой Caltech с использованием Escherichia coli. В колониях этих бактерий каждая бактерия испускает маленькие молекулы, чтобы посылать сигналы друг другу. Бактерии были сконструированы так, чтобы одновременно производить токсин при выделении этих сигнальных молекул. Чем больше популяция бактерий, тем выше концентрация токсина. При достаточно высокой концентрации токсина некоторые бактерии начинают гибнуть и, таким образом, снижают концентрацию токсина. Эта система обратной связи регулирует рост популяции бактерий.

Исследователи охарактеризовали эту систему для разработки математических описаний биологической обратной связи.



«Клетки - это сложные машины, но самолеты и спутники тоже. Правильное математическое мышление может выявить простые принципы, управляющие сложным миром », - говорит Олсман.

Автор Лори Дайосе

Перекладено з EN: Technology Org.


Читать также: