Die Aufrechterhaltung einer idealen Stabilität aufgrund negativer Rückkopplung ist ein Grundelement elektrischer Schaltkreise. Bisher war es jedoch ein Rätsel, wie lebende Zellen dies schaffen.
Mustafa Hammash, ein kleiner Lego-Roboter, spielt
leidenschaftlich gern Peeper mit einem Buch, das 30 cm vor ihm gehalten wird. Hammash schiebt das Buch vorwärts und der Roboter beginnt sofort mit seinen vier Rädern zu summen, um ihm zu folgen. Er bewegt das Buch näher und der Roboter springt zurück und bleibt in einem Abstand von 30 cm vom Buch. Hammash drückt das Auto mit einer Schutzbrille, kippt den Tisch schräg, ersetzt die Räder durch andere, 30% mehr - und jedes Mal stellt der Roboter die Pufferzone von 30 cm zwischen dem Buch wieder her und beginnt erneut, darauf zu schauen.
Die seltsame Fähigkeit des Roboters, seinen Standort anzupassen, gibt ihm das, was Biologen eine stabile ideale Anpassung nennen. "Wenn die Bewegung endet, gibt es keine Fehler", sagte Hammash, Spezialist für
Managementtheorie am schwedischen Staatlichen Institut für Technologie in Zürich. - Dies ist eine perfekte Anpassung; es hält die Distanz perfekt aufrecht. "
Unabhängig davon, ob es sich um industrielle Kontrollsysteme oder wild lebende Tiere handelt, ist negatives Feedback (OOS) eine allgegenwärtige Strategie, die Systemen hilft, mit Störungen umzugehen. „Die Menschen haben die Existenz solcher Rückkopplungssysteme in der Physiologie bemerkt, seit sie mit dem Studium der Physiologie begonnen haben“, sagt Noah Olsman, Spezialist für Kontrolltheorie an der Harvard University. Die Homöostase, die Selbstregulierung biologischer Systeme, hält viele physiologische Parameter, z. B. Körpertemperatur, Druck und Blutzuckerspiegel, in einem klaren Rahmen - ob wir einen Marathon laufen, mit einer Tauchausrüstung tauchen oder eine kontinuierliche Fernsehsendung für den ganzen Tag arrangieren. Und nicht umsonst: „Wenn das Leben nicht auf Veränderungen reagieren und lernen könnte, würde es nicht lange dauern“, sagte Olsman.
Der Roboter zeigt eine stetige ideale Anpassung, wobei ein konstanter Abstand zum Ziel, ein bewegliches Heft, eingehalten wird. Ein solches Verhalten ist ohne negative Rückkopplung nicht möglich, an der eine Steuerung beteiligt ist, die als "Integrator" bezeichnet wird
Trotz der Bedeutung dieses Feedbacks für das Leben war es für Biologen sehr schwierig zu erklären, wie genau Zellen und komplexere Organismen OS-Systeme mit einer ziemlich genauen und schnellen Reaktion realisieren. Und erst in den letzten Jahrzehnten konnten Wissenschaftler einige Grundprinzipien ableiten. Ein wichtiger Durchbruch gelang im vergangenen Sommer, als Hammash ein künstliches Betriebssystem vorstellte, das auf Zellen installiert werden kann, um sie wie ein Roboter perfekt an Störungen anzupassen. Diese Arbeit liefert einen mathematischen Beweis dafür, dass es keinen einfacheren Weg gibt, dieses Problem zu lösen - und dies ist ein Indikator dafür, dass natürliche Betriebssysteme wahrscheinlich auf die gleiche Weise funktionieren.
Lange bevor Biologen herausfanden, wie diese Möglichkeiten in der Natur realisiert wurden, lernten die Ingenieure, elektronische Schaltkreise für Steuerungssysteme zu erstellen, die das Flugzeug auf Kurs halten und einen stabilen Betrieb von Ölraffinierungssystemen und anderen automatischen Prozessen aufrechterhalten. Spezialisten für Steuerungstheorie nennen diese Festpunktverfolgung ohne stationären Fehler. Aus mathematischer Sicht kann der OOS den Fehler auf drei Arten korrigieren: proportional entsprechend der absoluten Größe des Fehlers; ganzheitlich durch die Größe der akkumulierten Fehler während des Betriebs; je nachdem, wie schnell oder langsam sich der Fehler ändert. Elektronische Proportional-Integral-Differenzierungsregler (PID) kombinieren alle drei Ansätze und sind in industriellen Steuerungssystemen weit verbreitet.
Von allen ist es das integrierte Betriebssystem, das eine stabile ideale Anpassung bietet; Proportionale und differenzierende Betriebssysteme helfen, Störungen zu beseitigen, korrigieren Fehler jedoch nicht vollständig. Ein Beweis dafür ist "ein alter Satz in der Steuerungstheorie", sagte
John Doyle , Mathematiker am California Institute of Technology. Um zu verstehen, wie die Natur eine stabile ideale Anpassung erreicht, musste ein Spezialist für Steuerungstheorie einen Zusammenhang mit einem integrierten Betriebssystem feststellen.
OOS ist ein großartiges Beispiel für die erstaunliche Ähnlichkeit zwischen Biologie und Ingenieurwesen. Der Mathematiker
Norbert Wiener schlug 1948 vor, die Regulierungssysteme von Tieren und Maschinen gemeinsam auf dem Gebiet der Wissenschaft, das er
Kybernetik nannte, aus den griechischen „Kyberneten“, der „Kunst der Kontrolle“ (kybernḗtēs - Lenkung), zu untersuchen.
"Mathematik, Ingenieurwesen (zumindest modern) und Biologie haben eines gemeinsam - eine enorme versteckte Komplexität", sagte Doyle. Nehmen Sie zum Beispiel ein Handy. Es scheint einfach zu verwalten zu sein, aber dies verbirgt viele Schichten von Steuerschaltungen, die übereinander aufgebaut sind.
"Die Biologie funktioniert ähnlich", sagte er. - Wir leben unser Leben und nutzen die Komplexität unseres Körpers. und wenn wir nicht krank werden, arbeiten sie automatisch und ohne Beteiligung des Bewusstseins. Wir merken es kaum. “
Wie man Kühe integriert
Als ausgebildeter Elektrotechniker nahm Hammash im Herbst 1998 erstmals ein Lehrbuch zur Endokrinologie an der Iowa State University in Anspruch. Seine Frau, die gerade ihr erstes Kind zur Welt gebracht hatte, entwickelte eine
postpartale Thyreoiditis und wollte mehr über ihre Krankheit erfahren. Der Text des Buches "könnte durchaus zu einem Lehrbuch über Kontrolltheorie gehören, nur ohne Gleichungen", sagte er. "Dieses Hormon macht das, diese Interaktion erhöht die Menge davon, es schließt die Rückkopplungsschleife - die gleiche Geschichte auf eine neue Art und Weise."
Mustafa Hammash, Professor für Managementtheorie und SystembiologieHammash interessierte sich für dieses Thema und ging zum anderen Ende des Campus, zum nationalen Zentrum für Tierkrankheiten. Dort traf er den Physiologen Jesse Goff, der vorschlug, die Hammash-Studie „Milchfieber“ zu untersuchen, eine Krankheit älterer Milchkühe, die mit einem Kalziummangel aufgrund der Milchproduktion verbunden ist.
Calciumionen steuern die Arbeit vieler Körperfunktionen, insbesondere die Muskelkontraktion und die Übertragung eines Nervenimpulses. Daher ist eine der am strengsten regulierten physiologischen Variablen bei Säugetieren der Kalziumspiegel im Blut, der im Bereich von 8 bis 10 Milligramm pro Deziliter liegt. Durch das Melken wird das Kalzium der Kühe aufgebraucht, was zu schwerwiegenden Verletzungen des Blutspiegels führt, sagt Hammash. Bei einer gesunden Kuh wird der Kalziumspiegel im Blut jedoch immer wiederhergestellt.
"Als Spezialist für Steuerungssysteme dachte ich sofort: Es sollte einen Integrator geben", sagte er. Daher stellte sich die Frage wie folgt: „Wie integrieren sich Kühe?“
Wenn das Auto zu schnell fährt oder der Roboter dem Objekt zu nahe gekommen ist, kann der Fahrer seinen Fuß vom Gaspedal nehmen und der Roboter kann sich wegbewegen und den Fehler direkt reduzieren oder umkehren. In Biologie und Chemie gibt es jedoch keine Subtraktionen - Proteinkonzentration oder Reaktionsgeschwindigkeit können nicht negativ werden. Selbst wenn die Zelle die Produktion von Protein stoppt, werden die vorhandenen Moleküle nirgendwo hingehen. Stattdessen muss alles durch den positiven Wert der Variablen gesteuert werden - durch das Äquivalent der Bremse, die das Gegenteil von Gas ist. Es sind einige mathematische Integrationsmechanismen erforderlich, die berechnen, wie viel Druck auf die Bremse ausgeübt wird und wie lange.
Um diese Frage zu beantworten, hat Hammash die Unterstützung seiner Studentin
Hana El Samad in Anspruch genommen, die jetzt sein Forschungsteam an der University of California in San Francisco leitet. Sie lehnten schnell die Möglichkeit ab, dass der integrierte Controller aus einem Molekül besteht; es sollten mindestens zwei von ihnen gewesen sein. Als
dieses Molekülpaar im Jahr 2002
entdeckt wurde, stellte sich heraus, dass es den Physiologen gut bekannt war: Es ist ein
Nebenschilddrüsenhormon und eine spezielle Form von Vitamin D,
Calcitriol (oder 1,25-DHCC).
Wenn Kalzium im Blut fällt, setzt die Nebenschilddrüse mehr Nebenschilddrüsenhormon frei, das Kalziumionen dazu anregt, das Skelett zu verlassen, und den Fehler proportional korrigiert. Eine Erhöhung des Nebenschilddrüsenhormonspiegels erhöht die Produktion von Calcitriol im Darm, wodurch die Absorption von Calcium im Dünndarm verbessert wird. Da die Geschwindigkeit der Calcitriolproduktion an die Konzentration des Nebenschilddrüsenhormons gebunden ist, ist der OS-Mechanismus integraler Natur.
Hammash war nicht der einzige Wissenschaftler, der erkannte, dass die Natur ein integriertes Betriebssystem verwendet, um eine stabile ideale Anpassung zu erreichen. Im Jahr 2000 zeigte Doyle
mathematisch, dass die Wirksamkeit der gerichteten Bewegungen von Bakterien auf der Suche nach Nahrung durch das integrierte Betriebssystem erreicht wird. Später
zeigten El-Samad, Hammash und Doyle als Ergebnis
gemeinsamer Arbeit, dass die Schockreaktion von Bakterien auf Hitze - ihre Produktion von schützenden
Chaperonmolekülen während der Überhitzung - aus demselben Grund stabil ist.
Installation von Integratoren in Zellen
Um das Kalziumproblem zu lösen, zogen Hammash und El Samad 2002 nach Kalifornien. Hammad fand bis zu seinem Umzug nach Zürich im Jahr 2011 keine stetige ideale Anpassung und bekam keine Gelegenheit, ein Labor für synthetische Biologie einzurichten. Diesmal bestand seine Aufgabe darin, den Controller künstlich in die Zellen einzuführen. Sobald solche synthetischen Zellcontroller den Patienten helfen können, die Kontrolle über regulatorische Prozesse wiederzugewinnen, die nicht mehr normal funktionieren, wie zum Beispiel die Insulinproduktion bei Diabetikern.
Zu diesem Zeitpunkt schaffen synthetische Biologen bereits die einfachsten Konturen des Umweltschutzes in Zellen, die in der Lage sind, Fehler proportional zu korrigieren. Das erste Beispiel, die rudimentäre Kontur in E. coli,
erschien im Jahr 2000 . Danach kündigte El-Samad die Einführung einer proportionalen OS-Kontur mit synthetischen Proteinen an, die gemeinsam mit der University of Washington entwickelt wurde. Diese Arbeit war wichtig, da El-Samad zeigte, dass manipulierte Proteine modular als PnP-Peripheriegeräte für Computer wie Mäuse oder Drucker verwendet werden können.
Hammash beschloss zu lernen, wie man ein integriertes Betriebssystem in Zellen programmiert. "Jeder Controller mit Selbstachtung muss einen Integrator haben", sagte er, insbesondere wenn er stabil sein möchte.
Ein integriertes Betriebssystem ist jedoch nicht so einfach zu erstellen. "Wir müssen alles so richtig wie möglich machen", sagte Doyle. Andernfalls wird die Steuerung destabilisiert. Anstatt sich dem Ziel allmählich zu nähern, verfehlt der instabile Controller ständig das Ziel und beginnt, um das Ziel herum zu schwingen.
Hana El-Samad, Professorin für Biochemie und BiophysikZu Hammash gesellten sich
Gabriel Lilacci , ein Theoretiker, der zu diesem Zeitpunkt im letzten Jahr promoviert hatte, und
Stefanie Aoki , eine Postdoc-Mikrobiologin. Trinity zog in das BSA-1058-Gebäude im Rosenthal Biopark in Basel und begann, ein neues Labor im Erdgeschoss einzurichten. Keiner von ihnen hatte Erfahrung auf dem Gebiet der synthetischen Biologie.
Die erste Schaltung, die Aoki und Lilacci versuchten, war eine einfache Schaltung mit einem Paar von Kontrollmolekülen: Tatsächlich Protein A, das das Gen für Protein B enthält, und Protein B, das das Gen für Protein A deaktiviert.
Die Idee hat nicht funktioniert. Es war eine unangenehme Zeit für Aoki und Lilacci. "Es funktioniert nicht wie erwartet", sagte Aoki. "Es gibt das Gefühl, dass Sie nicht die Kontrolle haben."
Ein Teil des Problems war, dass das Erstellen einer Zelle sehr schwierig ist. Die Übertragung bekannter Konzepte elektrischer und mechanischer Systeme auf das Gebiet der Biologie sei eine schwierige Aufgabe, erklärte Olsman. "Wie kann man Ideen, die mit Widerständen und Kondensatoren umgesetzt werden können, mit Proteinen, RNA und DNA umsetzen?"
Und selbst als ihre Escherichia coli endlich Anzeichen dafür zeigten, dass sie die Ergebnisse von Störungen korrigieren konnten, stellte sich heraus, dass es sich tatsächlich um ein Artefakt des Experiments handelte. "Es muss einer der schlimmsten Tage im Labor gewesen sein", sagte Lilacci.
Zu dieser Zeit verstanden die Forscher dies nicht, aber ihre erste Option war im Prinzip falsch. Aus mathematischer Sicht unterscheiden sich einzellige Organismen stark von großen Lebewesen wie Kühen: Sie unterliegen statistischem „Rauschen“. In einzelnen Zellen sind relativ wenige Moleküle enthalten, erklärte Hammash. Ein Unfall, der sich aus der Wahrscheinlichkeit der Begegnung, Kollision und Reaktion verschiedener Moleküle in der Zelle ergibt, spielt eine viel größere Rolle.
Aktivatoren und Antiaktivatoren
Im achten Stock des BSA-1058 begannen zwei Theoretiker des Hammash-Teams,
Korentin Briat und
Ankit Gupta , Anfang 2014, eine neue Idee zu diskutieren. Sie erkannten, dass zwei Controller-Moleküle eine spezielle Verbindung haben müssen, um die Auswirkungen von Rauschen zu minimieren: Sie müssen miteinander verbunden sein und die biologische Aktivität des anderen neutralisieren. Jeder sollte das Gegenteil des anderen sein.
In der Arbeit beschrieben Briat, Gupta und Hammash ein neues Schema. In dieser OOS-Schleife sollte das Aktivatormolekül die Produktion des gewünschten Proteins stimulieren. Die Konzentration dieses Proteins bestimmte wiederum die Produktionsrate des Anti-Aktivator-Moleküls, das den Aktivator isolierte. Wenn etwas das System störte, würde jeder Fehler im Proteinspiegel durch eine entsprechende Änderung der Produktionsrate des Antiaktivators korrigiert. Und was ist das Beste, da sich die Aktivator- und Anti-Aktivator-Moleküle gegenseitig suchen und neutralisieren, funktioniert eine solche Schleife auch in einer lauten Zelle.
Gupta hat mathematisch bewiesen, dass ein solches Schema einen stabilen Integrator für verrauschte Zellsysteme liefern würde. All dies waren jedoch rein theoretische Erfindungen. Trinity entwarf es, ohne zu wissen, wie die entgegengesetzten Aktivator- und Anti-Aktivator-Moleküle aussehen würden - oder sogar, dass solche Moleküle existieren. Ihre mangelnden Kenntnisse der Biologie wurden zu einem Problem, als ein unabhängiger Experte, der den Artikel bewertete, sie nach einem bestimmten Beispiel fragte.
Hammash schrieb eine E-Mail an einen Freund, den Biologen
Adam Arkin von der UC Berkeley, und bat um Hilfe. Arkin schlug schnell
Sigma-Faktor- und Anti-Sigma-Faktor-Proteine vor, die reich an Bakterien sind. Arkin hat sie bereits
verwendet , um einen künstlichen Schalter in den Zellen zu erzeugen.
Sigma und Anti-Sigma waren jedoch nicht die einzigen Möglichkeiten. Es gab auch semantische und
Antisense-RNA , verschiedene Toxine und Antitoxine. "Es gibt Berge chemischer Reaktionen, die für diese Aufgabe geeignet sind", sagte Olsman.
Mitglieder des Hammash Laboratory in ZürichDie Theorie
wurde im Januar 2016 veröffentlicht und stieß auf große Begeisterung. "Jetzt ist völlig klar, wie diese Integration implementiert werden kann", sagte Olsman. Zwei Monate zuvor hatte Hammash Aoki und Lilacci gebeten, die Entwicklung, an der sie drei Jahre lang gearbeitet hatten, zu verschieben und stattdessen zu versuchen, diesen Controller zu erstellen. "Die theoretische Grundlage für ihn war viel solider", sagte Lilacci. Sie waren sich einig, dasselbe Paar von Sigma- und Anti-Sigma-Faktoren zu verwenden, das Arkin vorgeschlagen hatte.
Nichts kam von ihnen - zumindest zuerst. Aoki und Lilacci hatten etwas mit zwei Grundannahmen zu tun, die in Wirklichkeit nicht erfüllt wurden. Einer nach dem anderen stellte sich heraus, dass die Anzahl der Zellen nicht wächst und die am Prozess beteiligten Faktoren verdünnt. Sie wuchsen jedoch und im Fall von E. coli verdoppelte sich die Anzahl der Zellen alle 30 Minuten. Einem anderen zufolge stellte sich heraus, dass die Expressionsrate von Proteinen innerhalb beliebiger Grenzen eingestellt werden kann, aber tatsächlich gibt es eine Grenze dafür.
Im Herbst 2017 besuchte Gupta eine Konferenz in Ohio, während seine Kollegen ihre Bemühungen im Labor fortsetzten. Dort traf er sich mit anderen Forschern, die versuchten, Integratoren nach der Theorie des Controllers mit Antithesen in Zellen zu integrieren. Jeder hatte ein Problem. Gupta entschied, dass es ein anderes, einfacher zu implementierendes Schema geben könnte, das das Leben der Experimentatoren vereinfachen würde.
"Es ist ratsam, Fragen zur Existenz einfacherer Methoden zu stellen", sagte Lilacci. "Und es stellte sich heraus, dass es keine solchen Methoden gab."
Gupta stellte fest, dass die mathematischen Einschränkungen für eine stabile ideale Anpassung so streng waren, dass sie die Optionen für Schaltungen einschränkten, die in lauten Umgebungen stabil sein könnten. Und alle brauchten ein Paar entgegengesetzter Moleküle.
Hammash und Gupta akzeptierten fröhlich den mathematischen Beweis, dass ihr Ansatz, obwohl schwierig, nicht nur zuverlässig, sondern unvermeidlich war. Aoki und Lilacci, die bereits die ersten Anzeichen dafür gesehen hatten, dass sich ihre Zellen an Störungen anpassen könnten, spornten diese Nachricht nur an.
„Es war für mich sehr überraschend herauszufinden, dass es nur eine grundlegende Topologie gibt, mit der dieses Ergebnis erzielt werden kann“, sagte Aoki.
Schließlich züchteten Aoki und Lilacci eine Reihe von Escherichia coli, die in der Lage sind, selbst bei Störungen eine stabile Fluoreszenz aufrechtzuerhalten, und zwar in Form eines eingeführten Enzyms, das das grüne Fluoreszenzprotein verbraucht. Eine noch interessantere Sache geschah in einem anderen Satz von Zellen, als sie die Inkubationstemperatur von 37 auf 30 Grad Celsius senkten, aber die Zellwachstumsrate änderte sich nicht. Guptas Beweise und Experimente von Aoki und Lilacci
wurden diesen Juni in der Zeitschrift Nature beschrieben.
Olsman hofft, dass dieses Beispiel dazu beitragen wird, rationalere und mathematischere Ansätze in das Gebiet der synthetischen Biologie einzudringen, und es technischer machen wird. "Wir bauen nicht tausend Flugzeuge, um sie in den Himmel zu heben und hoffen, dass sie nicht fallen", sagte er.
Neben einer stabilen idealen Anpassung gibt es viele weitere mysteriöse biologische Phänomene, die dekodiert werden müssen - und Doyle hofft, dass es möglich sein wird, sie mithilfe der Mathematik durchzuführen.