Neue Einblicke in molekulare Wechselwirkungen öffnen ein „Fenster zur Evolution“

Die Studie entdeckte grundlegende Konstruktionsprinzipien auf molekularer Ebene, die alle Formen biologischer Komplexität in robustheitsfördernde und letztendlich überlebensfördernde chemische Reaktionsstrukturen organisieren. | Bildnachweis: Getty Images/iStock

Mathematiker haben Details über den universellen Erklärungsrahmen für molekulare Wechselwirkungen aufgedeckt, die ihnen helfen, sich an neue und variable Bedingungen anzupassen und gleichzeitig eine strenge Kontrolle über wichtige Überlebenseigenschaften zu behalten.

Die Forscher sagten, dass ihre Ergebnisse ein „Fenster zur Evolution“ öffnen und eine Blaupause für anpassungsfähige Signalnetzwerke über alle Lebensbereiche hinweg und für das Design synthetischer Biosysteme darstellen.

„Unsere Studie betrachtet einen Prozess namens Robust Perfect Adaption (RPA), bei dem biologische Systeme, von einzelnen Zellen bis hin zu ganzen Organismen, wichtige Moleküle in engen Konzentrationsbereichen halten, obwohl sie ständig mit Störungen des Systems bombardiert werden“, sagte Robyn Araujo von der Queensland University of Technology School of Mathematical Sciences, Australien, und korrespondierender Autor der Studie.

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Die Forscher sagten, dass sie grundlegende Konstruktionsprinzipien auf molekularer Ebene entdeckt hätten, die alle Formen biologischer Komplexität in robustheitsfördernde und letztendlich überlebensfördernde chemische Reaktionsstrukturen organisieren.

Die Studie ist im Fachjournal Nature Communications erschienen.

Araujo sagte, sie hätten herausgefunden, dass Moleküle lebender Systeme biochemische Signale nicht einfach „übertragen“ können, sondern diese Signale „berechnen“ müssen.

„Diese komplexen intermolekularen Wechselwirkungen müssen eine spezielle Art der Regulierung implementieren, die als integrale 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 den physikalischen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen beruhen.

„Also funktionieren die ‚Lösungen‘ der Natur durch bemerkenswerte und hochkomplizierte Sammlungen von Interaktionen, ohne die speziell entworfenen, integralen Computerkomponenten der Technik und oft ohne Rückkopplungsschleifen.

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„Wir zeigen, dass molekulare Netzwerkstrukturen eine Form der integralen Kontrolle verwenden, bei der mehrere unabhängige Integrale mit jeweils einer sehr speziellen und einfachen Struktur zusammenarbeiten können, um bestimmten Molekülen die Fähigkeit zur Anpassung zu verleihen.

„Mithilfe eines algebraischen Algorithmus, der auf dieser Erkenntnis basiert, konnten wir die Existenz eingebetteter Integrale in biologisch wichtigen chemischen Reaktionsnetzwerken nachweisen, deren Fähigkeit zur Anpassung niemals zuvor durch eine systematische Methode erklärt werden konnte“, sagte Araujo.

„Auf der Grundlage dieser bahnbrechenden neuen Forschung steht RPA derzeit allein als grundlegende biologische Antwort, für die es jetzt einen universellen Erklärungsrahmen gibt.

“Auf praktischer Ebene könnte diese Entdeckung einen völlig neuen Ansatz bieten, um große Herausforderungen in der personalisierten Medizin wie Krebsmedikamentenresistenz, Sucht und Autoimmunerkrankungen anzugehen”, sagte Lance Liotta, Autor der Studie.