Muchos sistemas complejos en biología pueden conceptualizarse como redes. Esta perspectiva ayuda a los investigadores a comprender cómo funcionan los sistemas biológicos en un nivel fundamental, y puede usarse para responder preguntas clave en biología, medicina e ingeniería.
El flujo sanguíneo en el cerebro es un buen ejemplo. La sangre viaja a través de una red de vasos y se puede redirigir a partes específicas del cerebro según sea necesario. Caminar, por ejemplo, requeriría flujo sanguíneo en diferentes regiones que masticar chicle.
Se cree que las redes realizan tales tareas controlando las conexiones dentro de la red, llamadas "bordes". Lo que los físicos no habían explorado es cuántas tareas puede realizar una sola red simultáneamente.
Un equipo de investigadores del Departamento de Física y Astronomía publicó un estudio en PNAS que aborda esta pregunta. El estudiante de posgrado Jason W. Rocks y el ex postdoc Henrik Ronellenfitsch, quien ahora está en el MIT, fueron los autores principales de este artículo, y trabajaron junto a los físicos Andrea Liu y Eleni Katifori, así como a Sidney R. Nagelde la Universidad de Chicago.
El equipo de Penn había estudiado previamente dos tipos de redes. Katifori ha examinado cómo la naturaleza construye y mantiene "redes de flujo", como el flujo sanguíneo, utilizando enfoques inspirados y relacionados con la biología. Liu estudia "redes mecánicas".como la disposición de los aminoácidos que forman una proteína y cómo se pueden cambiar estas redes para realizar una función biológica específica.
Si bien estos dos sistemas difieren entre sí, las discusiones entre los grupos de Liu y Katifori sobre cuánto podría realizar cada multitarea cada red ayudó a Liu y Katifori a darse cuenta de que podían estudiar juntas estas dos redes aparentemente no relacionadas.
"Ambos estábamos estudiando independientemente la complejidad de una función particular que una red de flujo podía hacer y lo que podía hacer una red mecánica", dice Katifori. "Eran dos redes físicas completamente diferentes, pero en cierto modo la misma pregunta".
Los autores desarrollaron un conjunto de ecuaciones que describían cada sistema. Luego utilizaron simulaciones para controlar o "sintonizar" la red para que realizaran funciones cada vez más complejas. Rocks, Ronellenfitsch y sus colegas descubrieron que ambos tipos de redes tuvieron éxito en la multitarea.
Se sorprendieron por las similitudes en el rendimiento entre estas dos redes aparentemente distintas. Si bien la física subyacente en los dos sistemas es completamente diferente, se desempeñaron de manera similar en términos de habilidades multitarea y capacidad de control. "Cuantitativamente, eran casi idénticos", dice Liu.
Estos resultados servirán de base para una serie de estudios futuros que profundizarán en cómo la capacidad para realizar tareas se codifica en redes. Para redes mecánicas como las enzimas, este conocimiento podría mejorar la capacidad de los investigadores biomédicos para diseñar medicamentos específicos ytratos.
Como primer paso, Rocks está trabajando para comprender mejor cómo funcionan realmente las redes. "Hasta este punto lo hemos tratado como una caja negra", dice. "Pero no queremos hacer eso. Nosotrosqueremos entender cómo una red realiza una función específica. Queremos entender qué aspectos de la estructura de la red son importantes "
Liu y Katifori están entusiasmados con su colaboración y los resultados que esperan encontrar en el futuro cercano. "Si me hubieras preguntado antes de realizar este proyecto si tendríamos la misma respuesta para las dos redes, diría que"¿por qué?", dice Katifori. "Pero cuando lo piensas y cuando lo entiendes, te das cuenta de la elegancia de este estudio y por qué estas dos redes deberían ser las mismas".
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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