Komplexa biologiska processer som metabolism involverar ofta tusentals föreningar kopplade till kemiska reaktioner. Dessa processkedjor beskrivs av forskare som kemiska reaktionsnätverk. Forskare från universitetet i Luxemburg har utvecklat nya matematiska metoder för att studera dessa nätverks energetiska egenskaper. Forskarna publicerade sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Fysisk granskning X .
Uppsatsen som utarbetats av professor Massimiliano Espositos forskargrupp undersöker hur mycket små biologiska system fungerar på molekylär nivå. Dessa system är föremål för stora fluktuationer i massa, vilket gör deras beteende svårt att förutse. För att beskriva dem, forskarna använder ett probabilistiskt tillvägagångssätt som beräknar dynamiken i dessa system baserat på den statistiska sannolikheten för att förändringar kommer att inträffa. Med hjälp av dessa probabilistiska beskrivningar, gruppen studerar hur dessa system utbyter energi och materia med sin omgivning och hur mycket energi de försvinner under dessa processer – en disciplin som kallas stokastisk termodynamik. Dock, inom området för komplexa kemiska reaktionsnätverk, probabilistiska beskrivningar blir omöjliga eftersom tusentals molekyler är inblandade. Författarna visade hur de matematiska metoder som utvecklats för små system kan användas för att undersöka dessa nätverk.
"För närvarande, rigorösa termodynamiska modeller för denna typ av nätverk saknas. Vårt arbete banar väg för termodynamiska karakteriseringar av verkliga kemiska nätverk, som ämnesomsättning, " förklarar Riccardo Rao, tidningens huvudförfattare. "Vi tänker på dessa nätverk som maskiner som omvandlar vissa föreningar till andra. Vissa föreningar förbrukas när de "bränsle" processerna. Vår beskrivning svarar på frågor som:Är den här processen effektiv? Hur mycket energi försvinner den? Om vi justerar något systemet, hur kommer det att reagera?"
Just nu, deras forskning fokuserar på modeller av metabola nätverk, för vilka vissa förenklade uppskattningar krävs. "Vi använder nu detta ramverk för att undersöka specifika klasser av kemiska reaktionsnätverk, såsom metaboliska nätverk, " sa Riccardo Rao. Dessutom, forskargruppen kommer att arbeta med biologer och kemister för att testa och tillämpa resultaten på konkreta biologiska system. Forskning i denna riktning med grupper från Luxembourg Centre for Systems Biomedicine pågår redan.
