En los últimos 150 años, los ingenieros han desarrollado y dominado formas de estabilizar los sistemas dinámicos, sin retrasos ni excesos, utilizando lo que se conoce como teoría de control. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona ha demostrado que las células y los organismos desarrollaron complejos circuitos bioquímicosque siguen los principios de la teoría del control, millones de años antes de que el primer ingeniero pusiera lápiz a papel.
Considere el aire acondicionado de su hogar, por ejemplo. Usted ajusta la temperatura a 82 grados y se va a trabajar. Cuando regresa después de un largo y caluroso día, ajusta la temperatura a 72 grados. Su aire acondicionado emite aire frío a suhasta que el termostato llegue a 72. Este es un análogo de lo que se llama control de avance: su termostato establece una meta, se acerca a los 72 grados tan rápido como puede y se apaga cuando alcanza la meta.
El resto de la noche, su aire acondicionado detecta cuando la temperatura se desvía de 72 y se enciende en pequeñas ráfagas para mantener una temperatura estable. Esto es un análogo para un control de retroalimentación, donde pequeñas fluctuaciones lejos de la retroalimentación de temperatura establecida en elcontrolador y hacer que el sistema se ajuste.
Un equipo de UA descubrió que el acoplamiento de dos circuitos bioquímicos interconectados dentro de una célula, las vías TOR y PKA, funcionan como un termostato para controlar el crecimiento de las células en respuesta a la disponibilidad de nutrientes. Durante décadas, ha sidosabía que las mutaciones en PKA y TOR causan enfermedades; la nueva investigación encontró que cada vía tiene su propio papel distinto y descubrió exactamente cómo y por qué las dos vías trabajan juntas.
El estudio, publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , fue dirigido por el profesor asociado de biología molecular y celular y miembro del Instituto BIO5 Andrew Capaldi. Él y su equipo querían saber si TOR y PKA activan genes que hacen que las células crezcan y se enciendan y apaguen en respuesta a los nutrientes,entonces, ¿por qué la célula necesita ambas vías para controlar el crecimiento?
Las células se adaptan constantemente a lo que está disponible en su entorno. Descubrieron que cuando una célula tiene una disponibilidad constante de nutrientes, la vía TOR se asegura de que la célula avance a un ritmo apropiado emparejado. Pero cuando una célula de repente se enriqueceen un determinado nutriente, la vía PKA se pone en marcha y desencadena un aumento de 25 veces en la producción de genes antes de apagarse y permitir que el controlador TOR, mucho más preciso, se haga cargo nuevamente. Sin PKA, la respuesta de TOR a la entrada de nutrientes se retrasaría.
"Si solo tiene la vía TOR, siempre se replicaría a buen ritmo. El problema sería que cuando las condiciones cambian, tomaría una hora celular ajustar su tasa de crecimiento. Entonces la naturaleza agregó PKA", dijo Capaldi"Cuando te quedas sin nutrientes, el PKA también puede apagar rápidamente las cosas para permitir que TOR vuelva a tomar el control". Lo que sucede es que tienes dos controles, uno cuyo trabajo es acelerar la respuesta y el otro para mantenerloexactamente correcto."
Los ingenieros químicos usan el mismo principio para controlar estrictamente la temperatura.
"A menudo, los productos químicos deben mantener una cierta temperatura o terminarás con reacciones secundarias no deseadas. Entonces, los ingenieros incluyen un termostato dentro de la cámara de mezcla química", dijo Capaldi. "Digamos que la próxima etapa de una reacción va acrean una tonelada de calor. Usan un control de avance como PKA para ajustar rápidamente la temperatura, y luego el control de retroalimentación se hace cargo para mantenerlo estable como TOR ".
Debido a que las células deben ser increíblemente precisas, las vías celulares son numerosas y complejas.
"Nuestras células tienen 30,000 proteínas, y los biólogos han demostrado que si hay algo malo en uno de los pocos miles que controlan el crecimiento, entonces puede contraer una enfermedad", dijo Capaldi. "Eso se debe a que estas vías no funcionan tan simpleinterruptores de encendido y apagado. Como hemos demostrado en nuestro nuevo estudio, actúan como circuitos complejos, incluso computadoras ".
De hecho, al igual que las computadoras, las redes de señalización tienen lo que se denomina centros. Las vías TOR y PKA actúan como centros porque están altamente conectadas entre sí, así como cientos de otras proteínas y vías en la célula. Como resultado,cuando cualquiera de estos centros se rompe, todo el sistema se cae, tal como lo encontramos con Internet.
Por ejemplo, un TOR de baja producción puede provocar depresión clínica. El TOR hiperactivo produce epilepsia y el TOR hiperactivo o PKA produce cáncer.
"El mensaje más importante para llevar a casa es pensar en todas las diferentes rutas en una celda de esta manera, es decir, pensar en cómo funcionan juntas las rutas para proporcionar un control preciso. No podremos diseñar diseños realmente efectivosdrogas hasta que lo hagamos ", dijo.
"Quiero que nuestra investigación continúe con el mismo tema", agregó Capaldi. "Seguiremos tratando de descubrir cómo funcionan juntas las diferentes partes de la red de control de crecimiento. Hay cientos y cientos de vías de señalización que están interconectadas, pero todavía no sabemos cómo o por qué se hablan entre sí. Hay tanto que todavía tenemos que aprender ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Arizona . Original escrito por Mikayla Mace. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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