Вчені виявили приховані здатності молекул до самоорганізації

Ми схильні розділяти мозок і м’язи – мозок думає; м’яз робить свою роботу. Мозок сприймає складну інформацію про світ, приймає рішення, тоді як м’язи лише виконують. Ця відмінність поширюється на наше розуміння клітинних процесів, де певні молекули всередині клітини сприймаються як «мислителі», які обробляють інформацію з хімічного середовища, щоб визначити необхідні дії для виживання, тоді як інші розглядаються як «м’язи», що створюють основні структури. для виживання клітини.

Але нове дослідження показує, як молекули, які будують структури, тобто м’язи, самі можуть як думати, так і робити. Дослідження, проведене вченими з Університету Мейнута, Чиказького університету та Каліфорнійського технологічного інституту, було опубліковано в журналі Nature.

«Ми показуємо, що природний молекулярний процес – нуклеація – який протягом тривалого часу вивчався як «м’яз» може виконувати складні обчислення, які конкурують із простою нейронною мережею», – сказав доцент Чиказького університету Арвінд Муруган, один із двох старших у співавторстві. «Це здатність, прихована на очах, яку еволюція може використовувати в клітинах, щоб робити більше з меншими витратами; «роблючі» молекули також можуть «думати».

Мислення за допомогою фізики

Клітини повинні розпізнавати середовище, в якому вони знаходяться, і робити різні дії, щоб вижити. Наприклад, деякі комбінації молекул можуть вказувати на час стресу, який вимагає присісти, тоді як інші комбінації молекул можуть вказувати на час достатку. Але різниця між цими молекулярними сигналами може бути незначною – різні середовища можуть включати однакові молекули, але в різних пропорціях.

Доктор Костянтин Еванс, науковий співробітник Інституту Гамільтона Університету Мейнута, провідний автор дослідження, пояснив, що це схоже на те, як зайти в будинок і відчути запах свіжоспеченого печива, а не запах горілої гуми. «Ваш мозок змінить вашу поведінку залежно від того, як ви відчуєте різні комбінації пахучих хімічних речовин. Ми вирішили запитати, чи може фізика молекулярної системи зробити те саме, незважаючи на те, що у неї немає жодного мозку», — сказав він.

Традиційна точка зору полягає в тому, що клітини можуть відчувати та реагувати таким чином, використовуючи молекулярні схеми, які концептуально нагадують електронні схеми вашого ноутбука; деякі молекули відчувають, інші молекули приймають рішення про те, що робити, і, нарешті, «м’язові» молекули виконують дію (наприклад, будують структуру).

Альтернативна ідея, яка розглядається тут, полягає в тому, що всі ці завдання – відчуття, прийняття рішень, реакція – можуть бути виконані за один крок за допомогою фізики, властивої самому «м’язу». У цьому дослідженні бере участь фізика «фазових переходів» — уявіть склянку води, яка замерзає, коли вона досягає 0 °C; спочатку «зароджується» невеликий фрагмент льоду, а потім росте, поки весь стакан води не замерзне.

На перший погляд, ці початкові кроки в акті «заморожування» – зародження – не нагадують «мислення». Але ця робота показує, що акт заморожування може «розпізнавати» ледве помітні хімічні комбінації – наприклад, запах вівсяного печива з родзинками чи шоколадної стружки – і у відповідь створювати різні молекулярні структури.

Надійність в експериментах

Автори перевірили надійність прийняття рішень на основі нуклеації за допомогою нанотехнології ДНК, галузі, піонером якої допоміг професор Ерік Вінфрі. «Теорія є загальною і повинна застосовуватися до будь-якого типу молекул. Але ДНК дозволяє нам експериментально вивчати зародження в складних сумішах тисяч видів молекул і систематично розуміти вплив того, скільки типів молекул існує та які види взаємодії вони мають», – пояснив Ерік.

Експеримент виявив кілька сюрпризів – прийняття рішень на основі «м’язів» було напрочуд надійним і масштабованим. Ускладнення, не змодельовані в теорії, такі як відсутність молекул під час експерименту, виявилося, що допомагають, а не шкодять. У результаті відносно прості експерименти розв’язали проблеми розпізнавання образів, що включали близько тисячі видів молекул, майже в 10 разів більше, ніж у попередніх підходах, заснованих на схемах. У кожному випадку молекули об’єднувалися, щоб побудувати різні структури нанометрового масштабу у відповідь на різні хімічні моделі – за винятком того, що акт побудови структури сам по собі вирішував, що будувати.

Робота вказує на новий погляд на обчислення, який передбачає не проєктування схем, а радше проєктування того, що фізики називають «фазовою діаграмою»; наприклад, для води фазова діаграма може описувати умови температури та тиску, за яких рідка вода замерзає або кипить. Традиційно фазові діаграми розглядаються як опис властивостей матеріалу, подібних до «м’язів». Але ця робота показує, що фазова діаграма може також кодувати «мислення» на додаток до «роблення» при масштабуванні до складних систем з багатьма різними видами компонентів.

«Фізики традиційно вивчали такі речі, як склянка води, яка містить багато молекул, але всі вони ідентичні. Але жива клітина наповнена багатьма різними видами молекул, які взаємодіють одна з одною складними способами. Це призводить до чітких нових можливостей багатокомпонентних систем», – сказав д-р Джексон О’Браєн, який брав участь у дослідженні як аспірант Чиказького університету з фізики. Теорія в цій роботі провела математичні аналогії між такими багатокомпонентними системами та теорією нейронних мереж; експерименти вказали на те, як ці багатокомпонентні системи можуть вивчати правильні обчислювальні властивості через фізичний процес, подібно до того, як мозок вчиться пов’язувати різні запахи з різними діями.

Хоча експерименти тут стосуються молекул ДНК у пробірці, основні концепції – зародження в системах з багатьма видами компонентів – широко застосовуються до багатьох інших молекулярних і фізичних систем. Автори сподіваються, що ця робота підштовхне роботу з виявлення прихованих «мислячих» здібностей в інших багатокомпонентних системах, які наразі здаються просто «м’язами».