يتم تنظيم شبكات الجينات والخلايا العصبية في الدماغ والسلاسل الغذائية وكذلك الإنترنت وفقًا لمبادئ بناء بعضها مشترك
بيشيم عزجد
الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/weitzman101102.html
كشفت مجموعة بحثية برئاسة الدكتور أوري ألون من قسم البيولوجيا الجزيئية للخلية في معهد وايزمان للعلوم، عن عدة وصفات (زخارف) يتم بموجبها تنظيم شبكات من أنواع مختلفة، أو خلايا عصبية، أو السلاسل الغذائية في الطبيعة، وحتى الإنترنت، يعد هذا الاكتشاف خطوة رائدة ومهم في طريق تطوير الطب المستقبلي الذي سيسمح بـ "إصلاح" والعودة إلى عمل الأنظمة البيولوجية التي "انهارت".
الطريقة الرياضية التي تم بها الاكتشاف اقترحها الدكتور ألون في مقال نشر قبل بضعة أشهر في مجلة "Nature Genetics". وفي الدراسة الحالية، تمكن الدكتور ألون من إثبات أن مبادئ الطريقة هي تم تطبيقه بالفعل في عدد كبير من الأنظمة والشبكات في مختلف المجالات.
وُلدت هذه الطريقة نتيجة لتقييم الدكتور ألون بأن وصفات البناء التي تلعب دورًا مهمًا في الطبيعة ستظهر بتكرار أعلى بكثير مما كان متوقعًا بشكل عشوائي. ويعتقد الدكتور ألون أن هذا المبدأ التوجيهي قد يؤدي إلى اكتشاف مبادئ بناء شبكات مختلفة في النظم البيولوجية. وباستخدام الخوارزمية التي طورها، قام الدكتور ألون بفحص العديد من النتائج العلمية الموجودة في أنظمة عدد من الكائنات الحية الدقيقة والحيوانات التي تمت دراستها على نطاق واسع وأن المعلومات المتراكمة عنها واسعة وشاملة، وفي هذه الدراسة لاحظ الحقيقة أن عدداً من الأنماط في هذه الأنظمة ظهرت بتردد أعلى بكثير مقارنة بمعدل ظهورها في الشبكات العشوائية التي بناها لغرض المقارنة، وافترض الدكتور ألون أن هذه الأنماط المتكررة تمثل مبادئ عميق يتم من خلاله تنظيم النظم والشبكات البيولوجية.
يقول الدكتور ألون: «من المثير للدهشة أننا وجدنا نموذجين شائعين في الجهازين الوراثي والعصبي. من الواضح أن هذين النظامين، اللذين يتعاملان مع معالجة المعلومات، اختارا تنظيم نفسيهما بطريقة مماثلة. من الممكن أن يتم اختيار العناصر المشتركة من أجل تقليل شدة "الضوضاء البيولوجية" وبالتالي تمكين تنشيط وتعطيل الجينات أو الخلايا العصبية بشكل أكثر تعقيدًا ودقة. ونحن نعتقد أن الأنماط المشتركة تشكل دوائر اتصال ذات أهمية خاصة، والتي تلعب أدوارًا رئيسية في عمليات التحكم في الخلية. هذا المفهوم "المعماري" أو "الهندسي" يذكرنا بالطريقة التي يعمل بها مهندسو الإلكترونيات، الذين يقومون بشكل متكرر بدمج نفس الدوائر الإلكترونية المعروفة في مركز الأنظمة التكنولوجية المختلفة.
إن الكشف عن طبيعة مبادئ بناء النظم والشبكات البيولوجية، فضلا عن حقيقة أن بعضها مشترك بين أنظمة مختلفة، قد يساعد العلماء على تصنيف الأنظمة (تماما كما تنتمي الجمال والفئران إلى نفس العائلة، الثدييات يمكن أيضًا ربط العائلة والجهاز الوراثي والعصبي بنفس العائلة). قد يكون معنى الانتماء العائلي واسعًا جدًا. ويقول الدكتور ألون إنه من الممكن بهذه الطريقة، على سبيل المثال، التعرف على الجهاز العصبي للحيوانات، من خلال دراسة النظام الوراثي في البكتيريا، وهو أمر أكثر سهولة.
"الحلم"، كما يقول الدكتور ألون، هو العثور على جميع القوانين التي تحكم جسمنا وفهمها، وبالتالي الكشف بشكل كامل عن الطريقة التي تعمل بها الخلية الحية، وطرق إصلاحها، عندما تتعطل في يوم من الأيام. في المستقبل البعيد، نأمل أن يكون عمل الطبيب مشابهًا لعمل مهندسي الكهرباء اليوم: فهم ينظرون إلى مخطط البناء للحيوان أو الإنسان "المكسور"، ثم يقومون ببساطة بإصلاحه وإعادته وتشغيله. الحياة الطبيعية".
ضم فريق بحث الدكتور ألون طلاب البحث رون ميلو، وشالو إيتزكوفيتز، ونداف كاشتان، وشاي شين أور.
مبادئ البناء المشتركة بين الشبكات المختلفة:
1. التغذية الأمامية
وهذا النمط المسمى "التغذية الأمامية" موجود في شبكات التحكم الجيني والشبكات العصبية، ويستخدم، على ما يبدو، لتحييد "الضوضاء البيولوجية" وإجراء قياسات سريعة.
لكي يتم التعبير عن الجين Z، أو لكي يرسل العصبون Z إشارة كهربائية، يجب على كلا الخليتين X وY أن ترسلا له إشارة في نفس الوقت (جزيء اتصال في حالة الجينات، أو إشارة كهربائية في حالة العصب) الخلايا).
2. التبديل التوافقي
يتم تطبيق هذا النمط، المعروف باسم "المفتاح التوافقي"، في التحكم في الجينات والشبكات العصبية. مجموعات مختلفة من X وY تعطي نتائج مختلفة لـ a وb.
3. خط الإنتاج
ويتم تنفيذ هذا النمط، المعروف باسم "خط التجميع"، في شبكات التحكم في الجينات.
عندما يتم تنشيط X، حتى بكثافة منخفضة نسبيًا، سيتم التعبير عن ذلك في المنتج أ. ومع زيادة شدة النشاط، ستبدأ أيضًا b وc وd في التشكل بالترتيب. و"إيقاف" النظام سيتجلى في خفض إنتاج المنتجات المختلفة، بترتيب عكسي.
4. السلسلة الغذائية
ويصف هذا النمط - الذي يختلف عن السمات التشغيلية الموجودة في شبكات الجينات والخلايا العصبية - مبدأ بنيويا للسلاسل الغذائية في الطبيعة. لا تأكل الحيوانات آكلة اللحوم عمومًا طعام الحيوانات التي تفترسها. على سبيل المثال، يفترس الأسد الغزال الذي يأكل العشب، لكن الأسد لا يأكل العشب.
الحيوانات آكلة اللحوم، مثل البشر، نادرة في الطبيعة، والنمط الذي يصف سلسلتها الغذائية هو الذي يُعرف باسم "التغذية الأمامية".
5. المسارات الموازية
ويتم تطبيق هذا النمط، على سبيل المثال، في السلاسل الغذائية في الطبيعة وفي الشبكات العصبية. الحيوانات التي يتم افتراسها من قبل نفس المفترس (على سبيل المثال، الغزال والحمار الوحشي، وكلاهما يفترسهما أسد)، تتغذى عادة على نفس أنواع الطعام (في هذا المثال - العشب). لم يتم العثور على هذا النمط بدرجة كبيرة في شبكات الجينات، ولكنه يظهر في شبكات الخلايا العصبية: إذا تم تنشيط خليتين عصبيتين بواسطة خلية عصبية واحدة، فإن الإشارة التي ترسلها ستنشط نفس الخلية العصبية عدة مرات.
الصفحة الرئيسية للدكتور أوري ألون في معهد وايزمان
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~368661737~~~65&SiteName=hayadan
