Vi tenderar att separera hjärnan och muskeln – hjärnan tänker; muskeln gör jobbet. Hjärnan tar in komplex information om världen och fattar beslut, och muskeln utför bara. Detta har också format hur vi tänker om en enskild cell; vissa molekyler i celler ses som "tänkare" som tar in information om den kemiska miljön och bestämmer vad cellen behöver göra för att överleva; separat, andra molekyler ses som "muskeln", byggande strukturer som behövs för överlevnad.
Men en ny studie visar hur molekylerna som bygger strukturer, det vill säga muskeln, själva kan tänka och göra. Studien, gjord av forskare vid University of Chicago, California Institute of Technology och Maynooth University, publicerades i Nature och kan föreslå vägar för nya sätt att tänka på beräkningar med hjälp av fysikens principer.
"Vi visar att en naturlig molekylär process - kärnbildning - som har studerats som en "muskel" under lång tid kan göra komplexa beräkningar som kan konkurrera med ett enkelt neuralt nätverk, säger UChicago Assoc. Prof. Arvind Murugan, en av de två seniora medförfattarna till tidningen. "Det är en förmåga som är gömd i klarsynt - "görande"-molekylerna kan också göra "tänket". Evolution kan utnyttja detta faktum i celler för att få mer gjort med färre delar, med mindre energi och större robusthet."
För att överleva måste celler känna igen miljön de befinner sig i och svara därefter. Till exempel kan vissa kombinationer av molekyler indikera en tid av stress som kräver att man lutar sig ner, medan andra kombinationer av molekyler kan indikera en tid av överflöd. Men skillnaden mellan dessa molekylära signaler kan vara subtil – olika miljöer kan involvera samma molekyler men i olika proportioner.
Constantine Evans, huvudförfattaren till studien, förklarade att det är lite som att gå in i ett hus och lukta på nybakade kakor kontra att lukta brinnande gummi. "Din hjärna skulle förändra ditt beteende beroende på att du känner olika kombinationer av luktande kemikalier," sa han. "Vi tänkte fråga om bara fysiken i ett molekylärt system kan göra detsamma, trots att vi inte har någon hjärna av något slag."
Den traditionella uppfattningen har varit att celler skulle kunna känna av och svara på detta sätt med hjälp av molekylära kretsar som konceptuellt liknar de elektroniska kretsarna i din bärbara dator; vissa molekyler känner av mängden salt och syra i miljön, andra molekyler fattar ett beslut om vad de ska göra och slutligen kan "muskel"-molekyler utföra en åtgärd som svar, som att bygga en inre skyddsstruktur eller en pump för att ta bort oönskade molekyler .
Murugan och hans kollegor ville utforska en alternativ idé:att alla dessa uppgifter – avkänning, beslutsfattande, respons – kan utföras i ett steg av fysiken som är inneboende i "muskel"-molekylerna som bygger en struktur.
Det gjorde de genom att arbeta med principen om "fasövergångar". Tänk på ett glas vatten som fryser när det når 32F; först ett litet fragment av is "kärnor" och sedan växer ut tills hela glaset med vatten är fruset.
Till det yttersta liknar dessa första steg i frysningen – kallad "kärnbildning" i fysiken - inte om "tänkande". Men den nya studien visar att frysningen kan "känna igen" subtilt olika kemiska kombinationer – t.ex. lukten av havregrynsrussinkakor kontra chokladchips – och bygga olika molekylära strukturer som svar.
Forskarna testade robustheten i "fasövergångar"-baserat beslutsfattande med hjälp av DNA-nanoteknik, ett område som Erik Winfree (BS'91) hjälpte pionjären. De visade att en blandning av molekyler skulle bilda en av tre strukturer beroende på vilka koncentrationer av molekyler som fanns i bägaren.
"I varje fall kom molekylerna samman för att bygga olika strukturer i nanometerskala som svar på olika kemiska mönster - förutom att handlingen att bygga strukturen i sig fattade beslutet om vad som skulle byggas," sa Winfree.
Experimentet visade att detta "muskel"-baserade beslutsfattande var förvånansvärt robust och skalbart. Med relativt enkla experiment kunde forskarna lösa mönsterigenkänningsproblem som involverade omkring tusen sorters molekyler – nästan tio gånger större problem än vad som tidigare hade gjorts med andra metoder som separerade "hjärna" och "muskel" komponenter.
Arbetet pekar på en ny syn på beräkning som inte involverar att designa kretsar, utan snarare att designa vad fysiker kallar ett fasdiagram. Till exempel, för vatten, kan ett fasdiagram beskriva temperatur- och tryckförhållandena under vilka flytande vatten kommer att frysa eller koka, vilket är "muskelliknande" materialegenskaper. Men det här arbetet visar att fasdiagrammet också kan koda "tänka" förutom att "göra", när det skalas upp till komplexa system med många olika typer av komponenter.
"Fysiker har traditionellt studerat saker som ett glas vatten, som har många molekyler, men alla är identiska. Men en levande cell är full av många olika sorters molekyler som interagerar med varandra på komplexa sätt", säger medförfattaren. Jackson O'Brien (Ph.D.'21), som var involverad i studien som UChicago doktorand i fysik. "Detta resulterar i distinkta framväxande möjligheter hos flerkomponentsystem."
Teorin i detta arbete drog matematiska analogier mellan sådana flerkomponentsystem och teorin om neurala nätverk; experimenten pekade på hur dessa flerkomponentsystem kan lära sig de rätta beräkningsegenskaperna genom en fysisk process, ungefär som hjärnan lär sig att associera olika lukter med olika handlingar.
Medan experimenten här involverade DNA-molekyler i ett provrör, gäller de underliggande koncepten - kärnbildning i system med många typer av komponenter - i stort sett många andra molekylära och fysiska system, sa författarna.
"DNA låter oss experimentellt studera komplexa blandningar av tusentals sorters molekyler, och systematiskt förstå effekten av hur många typer av molekyler det finns och vilka typer av interaktioner de har, men teorin är generell och bör gälla alla typer av molekyler, " förklarade Winfree.
"Vi hoppas att detta arbete kommer att stimulera arbetet med att avslöja dolda "tänkande" förmågor i andra flerkomponentsystem som för närvarande bara verkar vara "muskler", säger Murugan.
Mer information: Constantine Glen Evans et al, Mönsterigenkänning i kärnbildningskinetik för icke-jämvikts självmontering, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06890-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Chicago
