de control de red: Dejar que el ruido a abrir el camino

naturaleza ruidosa equipo de investigación de células de apalancamiento ‘para mantenerlos sanos

Universidad del Noroeste

El uso de un algoritmo computacional desarrollado recientemente, investigadores de la Universidad de Northwestern mostraron que la aleatoriedad dentro y entre las células, llamado “ruido” puede ser manipulada para controlar las redes que rigen el funcionamiento de la vida … ver más

Crédito: Daniel K. Wells

La vida de una célula es un asunto ruidoso.

Estos bloques de construcción de la vida están en constante cambio. Pueden expresar espontáneamente diferentes proteínas y genes, forma y tamaño de cambio, mueren o se resisten a morir, o ser dañado y cancerosas. Incluso dentro de una población del mismo tipo de célula, hay un inmenso variabilidad aleatoria entre las estructuras de células, los niveles de expresión de la proteína, y tamaños.

“Alta dimensionalidad y el ruido son propiedades inherentes de las grandes redes intracelulares,” dijo Adilson Motter E., el Charles E. y Emma H. ??Morrison, profesor de física y astronomía en la universidad de Weinberg de Artes y Ciencias de la Universidad Northwestern. “Ambos han sido considerados como obstáculos para el control racional del comportamiento celular.”

Motter y sus colaboradores en la Northwestern han desafiado y redefinido esta creencia de larga data. El uso de un algoritmo de cálculo de nuevo desarrollo, demostraron que esta aleatoriedad dentro y entre las células, llamado “ruido”, se puede manipular para controlar las redes que gobiernan el funcionamiento de las células vivas – la promoción de la salud celular y potencialmente aliviar enfermedades como como el cáncer.

Apoyado por el Centro de Ciencias Físicas-Oncología Instituto Nacional del Cáncer en Northwestern y la Fundación Nacional de Ciencias, la investigación se describe en la edición del 16 de septiembre del journalPhysical revisión X. Motter y William L. Kath, profesor de Ciencias de la Ingeniería y Matemática Aplicada, son coautores del artículo. Daniel K.Wells, un estudiante graduado en matemática aplicada, es el primer autor del papel.

“El ruido se refiere a los aspectos aleatorios de comportamiento de las células, especialmente la regulación de genes”, dijo Wells. “La regulación de genes no es como una estación de tren, donde las proteínas reguladoras de la expresión de genes se envían a intervalos regulares, a su vez un gen de encendido o apagado y, a continuación, se envían hacia fuera. En su lugar, la expresión génica es constantemente, y al azar, siendo modificado “.

Mediante el aprovechamiento de ruido, el equipo encontró que la dinámica de regulación de genes de alta dimensión podrían ser controlados en su lugar mediante el control de una red mucho más pequeño y más simple, denominado una “red de transiciones de estado.” En esta red de células de transición al azar de un estado fenotípico a otro – a veces de los estados que representan fenotipos de células sanas a los estados insalubres donde las condiciones son potencialmente canceroso. Las vías de transición entre estos estados se pueden predecir, como las células que hacen la misma transición se suele viajar a lo largo de un camino similar en su expresión génica.

El equipo compara este fenómeno a la formación de caminos en un campus universitario. Si no hay un camino pavimentado entre un par de edificios, la gente por lo general toman el camino que es el más fácil de atravesar, tromping por la hierba para revelar la suciedad debajo. Con el tiempo, los planificadores del campus pueden ver este camino predefinido y allanar ella.

Del mismo modo, al analizar inicialmente una red de regulación de genes el equipo utilizó primero ruido para definir la vía de transición más-probable entre los diferentes estados del sistema, y ??conectado estas rutas en la red de las transiciones de estado. Al hacer esto, los investigadores podrían entonces concentrarse en sólo un camino entre dos estados, la destilación de un sistema multi-dimensional para una serie de caminos que interconectan unidimensionales.

“Incluso en sistemas tan complejos y de alta dimensión como una red de regulación de genes, hay por lo general sólo un mejor camino que una transición ruidosa seguirá de un estado a otro”, dijo Kath. “Se podría pensar que muchos caminos diferentes son posibles, pero eso no es verdad: un camino es mucho mejor que todos los demás.”

Posteriormente, el equipo desarrolló un enfoque computacional que puede identificar las modificaciones de los parámetros óptimos experimentalmente ajustables, tales como las tasas de activación de proteína, para fomentar las transiciones entre los diferentes estados deseados. El método es ideal para implementaciones experimentales, ya que cambia la respuesta del sistema al ruido en lugar de cambiar el ruido en sí, que es casi imposible de controlar.

“El ruido es extremadamente importante para los sistemas”, dijo Wells. “En lugar de controlar directamente una celda para pasar de un mal estado a un buen estado, que es difícil, que acabamos de hacer que sea más fácil para el ruido de hacer esto por sí solo. Esto es análogo a la pavimentación de un solo camino saliendo de un edificio y dejando todos los demás sin pavimentar – las personas que salen del edificio son más propensos a caminar por el camino pavimentado, y en forma preferencial terminar donde va ese camino “.

Aunque la investigación actual es teórico y se centra en las redes biológicas, el equipo postula que esta estrategia podría ser usada para redes complejas en las que el ruido está presente, como en redes de alimentación y las redes de energía, y podría ser utilizado para evitar transiciones bruscas en estos sistemas , que conducen a los ecosistemas colapsos y fallos de la red eléctrica.

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