Forscher haben kürzlich grundlegende Konstruktionsprinzipien auf molekularer Ebene entdeckt, die dazu beitragen, wichtige Moleküle in biologischen Systemen in engen Konzentrationsbereichen zu halten, was zu Robustheit und Überlebensfähigkeit beiträgt. Diese bahnbrechende Forschung bietet einen globalen Rahmen für das Verständnis der robusten optimalen Anpassung (RPA) und könnte zu neuen Ansätzen bei der Bewältigung der Herausforderungen der personalisierten Medizin wie Arzneimittelresistenz gegen Krebs, Sucht und Autoimmunerkrankungen führen.
Mathematiker haben einen universellen Erklärungsrahmen entdeckt, der ein „Fenster zur Evolution“ bietet. Dieser Rahmen erklärt, wie Moleküle bei der Anpassung an sich ändernde Bedingungen miteinander interagieren und gleichzeitig die strenge Kontrolle über wesentliche Eigenschaften behalten, die für das Überleben entscheidend sind.
Laut Dr. Araujo von der School of Mathematical Sciences der QUT liefern die Forschungsergebnisse eine Blaupause für die Schaffung von Signalnetzwerken, die sich an alle Lebensformen anpassen können, und für die Gestaltung synthetischer biologischer Systeme.
„Unsere Studie berücksichtigt einen Prozess namens Robust Total Adaptation (RPA), bei dem biologische Systeme, von einzelnen Zellen bis hin zu ganzen Organismen, wichtige Moleküle in engen Konzentrationsbereichen halten, obwohl sie ständig von Störungen im System bombardiert werden“, sagte Dr. Araujo.
Bisher konnte niemand allgemein erklären, wie dieser lebenswichtige Prozess auf molekularer Ebene durch riesige, komplexe und oft sehr komplexe Netzwerke chemischer Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten von Molekülen, hauptsächlich Proteinen, reguliert wird. Wir haben dieses Problem nun gelöst, indem wir grundlegende Designprinzipien auf molekularer Ebene entdeckt haben, die alle Formen biologischer Komplexität in chemische Reaktionsstrukturen organisieren, die die Festigkeit erhöhen und letztendlich das Überleben fördern.“
Dr. Araujo sagte, dass sie entdeckt haben, dass Gruppen interagierender Moleküle in lebenden Systemen biochemische Signale nicht einfach „übertragen“ können, sondern tatsächlich „Berechnungen“ an diesen Signalen durchführen müssen.
„Diese komplexen Wechselwirkungen zwischen Molekülen müssen eine spezielle Art von Regulierung implementieren, die als integrierte Steuerung bekannt ist – eine Designstrategie, die Ingenieuren seit fast einem Jahrhundert bekannt ist.
Die Signalnetzwerke in der Natur sind jedoch sehr unterschiedlich, da sie sich so entwickelt haben, dass sie auf physikalischen Wechselwirkungen zwischen diskreten Molekülen beruhen. Daher funktionieren die „Lösungen“ der Natur durch äußerst komplexe interagierende Ensembles, ohne integrierte Computerkomponenten, die speziell für die Entwicklung entwickelt wurden, und häufig ohne Feed-Forward Schleifen.
„Wir zeigen, dass die Strukturen molekularer Netzwerke eine Form der Integratorkontrolle verwenden, bei der mehrere unabhängige Integratoren mit jeweils sehr spezifischer und einfacher Architektur zusammenarbeiten können, um bestimmten Molekülen Anpassungsfähigkeit zu verleihen.
„Mit einem auf diesem Ergebnis basierenden algebraischen Algorithmus konnten wir die Existenz von Integralen nachweisen, die in biologisch wichtige chemische Reaktionsnetzwerke eingebettet sind, deren Anpassungsfähigkeit bisher nicht systematisch erklärt werden konnte.“
Professor Liotta sagte, die Suche nach den grundlegenden Designprinzipien biologischer Systeme in der gesamten Natur sei eine der wichtigsten und weitreichendsten Herausforderungen in den Biowissenschaften.
Auf der Grundlage dieser bahnbrechenden neuen Forschung steht RPA derzeit allein als eine wesentliche biologische Antwort, für die es jetzt einen globalen Erklärungsrahmen gibt.
„Es ist ein Framework, das willkürlich großen und komplexen Netzwerken strenge und unverletzliche Designkriterien auferlegt, und eines, das jetzt die feinen Details komplexer Wechselwirkungen zwischen Molekülen im mikroskopischen Maßstab eines Netzwerks berücksichtigt.
„Auf praktischer Ebene könnte diese Entdeckung einen völlig neuen Ansatz bieten, um große Herausforderungen in der personalisierten Medizin wie Krebsmedikamentenresistenz, Sucht und Autoimmunerkrankungen anzugehen.“
Referenz: „Global Adaptive Structures in Biochemical Interaction Networks“ von Robyn P. Araujo und Lance A. Liotta, 20. April 2023, hier verfügbar. Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-023-38011-9