Τα μαθηματικά αποκαλύπτουν τα μυστικά του κυκλώματος ανάδρασης των κυττάρων

Το μικρό ρομπότ Lego του Mustafa Khammash συμμετέχει σε έναν μονόδρομο διαγωνισμό με ένα βιβλίο που κρατιέται 30 εκατοστά μπροστά του. Ο Khammash σύρει το βιβλίο προς τα εμπρός και το ρομπότ του γυρίζει αμέσως τους τέσσερις τροχούς μετατόπισης για να το ακολουθήσει. το πλησιάζει και το ρομπότ πηδάει πίσω, μένοντας ακριβώς 30 εκατοστά μακριά από το βιβλίο. Ο Khammash βαραίνει το μηχάνημα με τη θήκη των γυαλιών του, σηκώνει το τραπέζι υπό γωνία, αντικαθιστά τους τροχούς με τροχούς που είναι 30% μεγαλύτεροι — κάθε φορά, το ρομπότ του αποκαθιστά τη ζώνη ασφαλείας των 30 εκατοστών από το βιβλίο και συνεχίζει να το κοιτάζει. .

Η παράξενη ικανότητα του ρομπότ να διορθώνει τη θέση του του δίνει αυτό που οι βιολόγοι αποκαλούν εύρωστη τέλεια προσαρμογή. «Όταν η σκόνη κατακάθεται, δεν υπάρχει σφάλμα», είπε ο Khammash, θεωρητικός ελέγχου στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης (ETH Zurich). «Αυτή είναι η τέλεια προσαρμογή. κρατά τέλεια την απόσταση.”

Είτε σε συστήματα βιομηχανικού ελέγχου είτε στη φύση, η αρνητική ανάδραση είναι μια πανταχού παρούσα στρατηγική για να βοηθήσει τα συστήματα να αντιμετωπίσουν τις διαταραχές. «Οι άνθρωποι έχουν παρατηρήσει αυτά τα συστήματα ανάδρασης στη φυσιολογία για όσο καιρό οι άνθρωποι μελετούσαν τη φυσιολογία», δήλωσε ο Noah Olsman, θεωρητικός ελέγχου στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Η ομοιόσταση, η αυτορρύθμιση των βιολογικών συστημάτων, διατηρεί πολλές φυσιολογικές παραμέτρους, όπως τη θερμοκρασία του σώματος, την αρτηριακή πίεση και τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα εντός αυστηρών ορίων, είτε έχουμε τρέξει μαραθώνιο, είτε έχουμε κάνει καταδύσεις είτε παρακολουθούμε υπερβολικά το Netflix όλη την ημέρα. Και για καλό λόγο:«Αν η ζωή δεν μπορούσε να ανταποκριθεί στις αλλαγές και να μάθει, δεν θα διαρκούσε πολύ», είπε ο Olsman.

Ωστόσο, όσο ζωτικής σημασίας είναι αυτή η αρνητική ανάδραση, οι βιολόγοι πιέστηκαν πολύ να εξηγήσουν πώς τα κύτταρα και οι πιο σύνθετοι οργανισμοί εφαρμόζουν συστήματα ανάδρασης με την απαραίτητη ανταπόκριση και ακρίβεια. Μόνο τις τελευταίες δύο δεκαετίες μπόρεσαν να διευθετήσουν ορισμένα από τα θεμελιώδη. Πιο πρόσφατα, σε μια σημαντική πρόοδο το περασμένο καλοκαίρι, μια ομάδα με επικεφαλής τον Khammash έδειξε ένα συνθετικό σύστημα ανάδρασης που θα μπορούσε να εγκατασταθεί σε κελιά για να τα βοηθήσει να προσαρμοστούν τέλεια στις διαταραχές, όπως ακριβώς το ρομπότ. Η εργασία υποστηρίζεται από μια μαθηματική απόδειξη ότι δεν υπάρχει πιο απλή απάντηση — μια καλή ένδειξη ότι τα φυσικά συστήματα ανάδρασης πιθανότατα λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο.

Πολύ πριν οι βιολόγοι καταλάβουν πώς η φύση καταφέρνει το κατόρθωμα, οι μηχανικοί κατασκεύαζαν κυκλώματα ανάδρασης σε συστήματα ελέγχου για να βοηθήσουν τα αεροπλάνα να διατηρούν την πορεία τους, τα διυλιστήρια πετρελαίου να αντλούν ομαλά και άλλα αυτοματοποιημένα συστήματα να βουίζουν μαζί. (Οι θεωρητικοί ελέγχου ονομάζουν αυτή την παρακολούθηση σημείου ρύθμισης με μηδενικό σφάλμα σταθερής κατάστασης.) Από μαθηματικά, η αρνητική ανάδραση μπορεί να διορθώσει ένα σφάλμα με τρεις τρόπους:αναλογικά, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος του σφάλματος. συνολικά, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος του σφάλματος που προέκυψε κατά τη διάρκεια της διάρκειάς του· ή παράγωγα, εξετάζοντας πόσο γρήγορα ή αργά αλλάζει το σφάλμα. Οι ηλεκτρονικοί ελεγκτές αναλογικής-ολοκληρωμένης παραγώγου (PID) που χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα βιομηχανικού ελέγχου συνδυάζουν και τα τρία.

Από τα τρία, η ολοκληρωμένη ανατροφοδότηση είναι αυτή που προσφέρει στιβαρή τέλεια προσαρμογή. Η αναλογική και η παράγωγη ανατροφοδότηση βοηθούν στον μετριασμό των διαταραχών αλλά δεν διορθώνουν πλήρως τα λάθη. Η απόδειξη για αυτό «είναι ένα παλιό θεώρημα στη θεωρία ελέγχου», είπε ο John Doyle, μαθηματικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. Για να καταλάβουμε πώς η φύση επιτυγχάνει μια στιβαρή τέλεια προσαρμογή απαιτούσε την ικανότητα ενός θεωρητικού ελέγχου να εντοπίσει μια σύνδεση με ολοκληρωμένη ανατροφοδότηση.

Η αρνητική ανατροφοδότηση είναι ένα ισχυρό παράδειγμα των αξιοσημείωτων ομοιοτήτων μεταξύ βιολογίας και μηχανικής. Το 1948, ο μαθηματικός Norbert Wiener πρότεινε ότι τα ρυθμιστικά συστήματα τόσο σε ζώα όσο και σε μηχανές θα πρέπει να μελετηθούν μαζί, σε έναν τομέα που ονόμασε κυβερνητική (από το ελληνικό kubernētēs , που σημαίνει «πηδάλιο»).

«Αυτό που έχουν κοινό τα μαθηματικά και η μηχανική και η βιολογία, τουλάχιστον η σύγχρονη μηχανική, είναι τεράστια κρυφή πολυπλοκότητα», είπε ο Ντόιλ. Πάρτε, για παράδειγμα, ένα κινητό τηλέφωνο. Φαίνεται απλό στη λειτουργία, αλλά από κάτω, πολλά στρώματα κυκλωμάτων ελέγχου είναι χτισμένα το ένα πάνω στο άλλο.

«Η βιολογία είναι κάπως έτσι», είπε. «Ζούμε καθημερινά στην πολυπλοκότητα του σώματός μας. εκτός αν είμαστε άρρωστοι, είναι σε μεγάλο βαθμό αυτόματο και αναίσθητο. Δεν το γνωρίζουμε σχεδόν."

Πώς ενσωματώνονται οι αγελάδες

Εκπαιδευμένος ηλεκτρολόγος μηχανικός, ο Khammash πήρε για πρώτη φορά ένα εγχειρίδιο ενδοκρινολογίας στο Iowa State University το φθινόπωρο του 1998. Η σύζυγός του, που μόλις είχε γεννήσει το πρώτο τους παιδί, είχε αναπτύξει μια επιλόχεια διαταραχή του θυρεοειδούς και ο Khammash ήθελε να μάθει περισσότερα για αυτήν ασθένεια. Το κείμενο «θα μπορούσε να ήταν ένα βιβλίο στη θεωρία ελέγχου χωρίς τις εξισώσεις», είπε. "Αυτή η ορμόνη κάνει αυτό, αυτή η αλληλεπίδραση αυξάνει το ρυθμό αυτού και κλείνει τον βρόχο ανατροφοδότησης, είναι η ίδια ιστορία ξανά και ξανά."

Ενδιαφερόμενος, ο Khammash πέρασε από την πανεπιστημιούπολη στο Εθνικό Κέντρο Ασθενειών των Ζώων. Εκεί, συνάντησε τον φυσιολόγο Jesse Goff, ο οποίος πρότεινε το Khammash να εξετάσει τον πυρετό του γάλακτος, μια ασθένεια που προσβάλλουν οι ηλικιωμένες αγελάδες γαλακτοπαραγωγής από σοβαρή ανεπάρκεια ασβεστίου όταν παράγουν γάλα.

Τα ιόντα ασβεστίου ελέγχουν πολλές λειτουργίες του σώματος, όπως η μυϊκή σύσπαση και η νευροδιαβίβαση. Τα επίπεδα ασβεστίου στο αίμα, που διατηρούνται στα 8-10 χιλιοστόγραμμα ανά δεκατόλιτρο αίματος, είναι επομένως μία από τις πιο αυστηρά ρυθμιζόμενες φυσιολογικές μεταβλητές στα θηλαστικά. Το άρμεγμα αποστραγγίζει το ασβέστιο από μια αγελάδα, δημιουργώντας μια τεράστια διαταραχή του ασβεστίου στο αίμα, λέει ο Khammash. Και όμως, σε μια υγιή αγελάδα, τα επίπεδα ασβεστίου στο αίμα αποκαθίστανται πάντα.

«Ως μηχανικός ελέγχου, το πρώτο πράγμα που σκέφτηκα είναι, «Πρέπει να υπάρχει ένας ολοκληρωτής», είπε. Το ερώτημα στη συνέχεια έγινε, «Πώς ενσωματώνονται οι αγελάδες;»

Εάν ένα όχημα κινείται πολύ γρήγορα ή ένα ρομπότ πλησιάζει πολύ σε ένα αντικείμενο, ο οδηγός του οχήματος μπορεί να σηκώσει ένα πόδι από το γκάζι και το ρομπότ μπορεί να κάνει πίσω, μειώνοντας ή αντιστρέφοντας άμεσα αυτό που έχει πάει στραβά. Αλλά στη βιολογία και τη χημεία, δεν υπάρχει αφαίρεση:η συγκέντρωση μιας πρωτεΐνης ή ο ρυθμός μιας αντίδρασης δεν μπορεί να είναι αρνητικός. (Ακόμα κι αν ένα κύτταρο σταματήσει να παράγει μια πρωτεΐνη, τα υπάρχοντα μόρια εξακολουθούν να υπάρχουν.) Αντίθετα, όλα πρέπει να ελέγχονται με θετικά στοιχεία, το ισοδύναμο ενός φρένου που αντιτίθεται στην επιρροή του γκαζιού. Απαιτείται κάποιος μηχανισμός που εκτελεί μαθηματική ολοκλήρωση για τη βαθμονόμηση της πίεσης που θα ασκηθεί στο φρένο και για πόσο χρόνο.

Για να βρει μια απάντηση, ο Khammash ζήτησε τη βοήθεια της φοιτήτριας του μεταπτυχιακού, Hana El-Samad, η οποία τώρα ηγείται της δικής της ερευνητικής ομάδας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. Γρήγορα απέκλεισαν την πιθανότητα ο ολοκληρωμένος ελεγκτής να περιελάμβανε μόνο ένα μόριο. έπρεπε να είναι τουλάχιστον δύο. Όταν τελικά αυτό το ζευγάρι μορίων εντοπίστηκε το 2002, αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ γνωστά στους φυσιολόγους:η παραθυρεοειδική ορμόνη και μια ειδική μορφή βιταμίνης D που ονομάζεται 1,25-διυδροξυχοληκαλσιφερόλη (1,25-DHCC).

Όταν το ασβέστιο στο αίμα πέφτει, ο παραθυρεοειδής αδένας παράγει περισσότερη παραθυρεοειδική ορμόνη, η οποία διεγείρει τα ιόντα ασβεστίου να φύγουν από τον σκελετό και διορθώνει αναλογικά το σφάλμα. Με τη σειρά τους, τα αυξημένα επίπεδα παραθυρεοειδούς ορμόνης αυξάνουν τον ρυθμό παραγωγής 1,25-DHCC στο έντερο, γεγονός που προάγει την απορρόφηση του ασβεστίου στο λεπτό έντερο. Επειδή ο ρυθμός παραγωγής 1,25-DHCC συνδέεται με τη συγκέντρωση της παραθυρεοειδούς ορμόνης, αυτός ο μηχανισμός ανάδρασης αποκτά μαθηματικά αναπόσπαστο χαρακτήρα.

Το Khammash δεν ήταν το μόνο που συνειδητοποίησε ότι η φύση χρησιμοποιεί ολοκληρωμένη ανατροφοδότηση για να επιτύχει μια στιβαρή τέλεια προσαρμογή. Νωρίτερα, το 2000, ο Ντόιλ έδειξε μαθηματικά ότι η αποτελεσματικότητα των κατευθυνόμενων κινήσεων των βακτηρίων για την εύρεση τροφής οφειλόταν σε ολοκληρωμένη ανατροφοδότηση. Αργότερα, οι El-Samad, Khammash και Doyle συνεργάστηκαν και έδειξαν ότι οι αποκρίσεις θερμικού σοκ στα βακτήρια —η παραγωγή προστατευτικών μορίων «συνοδών» όταν υπερθερμαίνονται— είναι ισχυρές για τον ίδιο λόγο.

Εγκατάσταση ολοκληρωμένου σε κελιά

Μετά την επίλυση του προβλήματος του ασβεστίου, το 2002 ο Khammash και ο El-Samad μετακόμισαν στην Καλιφόρνια. Ο Khammash δεν εργάστηκε ξανά σε μια ισχυρή τέλεια προσαρμογή μέχρι που μετακόμισε στο ETH της Ζυρίχης το 2011 και είχε την ευκαιρία να ξεκινήσει ένα εργαστήριο συνθετικής βιολογίας. Αυτή τη φορά, η πρόκληση ήταν να εισαχθεί τεχνητά ένας ελεγκτής στα κύτταρα. Τέτοιοι συνθετικοί κυτταρικοί ελεγκτές θα μπορούσαν μια μέρα να βοηθήσουν τους ασθενείς να ανακτήσουν τον έλεγχο των ρυθμιστικών διεργασιών που έχουν ξεφύγει, όπως η παραγωγή ινσουλίνης σε διαβητικούς.

Μέχρι εκείνη τη στιγμή, οι συνθετικοί βιολόγοι είχαν ήδη δημιουργήσει απλά κυκλώματα αρνητικής ανάδρασης σε κύτταρα που μπορούσαν να διορθώσουν αναλογικά τα σφάλματα. Το πρώτο παράδειγμα, ένα στοιχειώδες κύκλωμα σε Escherichia coli , εμφανίστηκε το 2000. Πιο πρόσφατα, ο El-Samad ανέφερε την εγκατάσταση ενός αναλογικού κυκλώματος ανάδρασης με συνθετικές πρωτεΐνες σχεδιαστών που αναπτύχθηκαν από συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. (Αυτό ήταν σημαντικό επειδή ο El-Samad έδειξε ότι οι πρωτεΐνες σχεδιαστών μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με αρθρωτό τρόπο, παρόμοιο με το πώς τα περισσότερα ποντίκια USB ή εκτυπωτές σήμερα είναι συσκευές plug-and-play.)

Ο Khammash έβαλε το μυαλό του στον προγραμματισμό ολοκληρωμένων ανατροφοδοτήσεων σε κελιά. "Οποιοσδήποτε ελεγκτής που σέβεται τον εαυτό του θα πρέπει να έχει έναν ολοκληρωμένο", είπε, ειδικά εάν πρόκειται να είναι ισχυρός.

Αλλά η ολοκληρωμένη ανατροφοδότηση δεν είναι εύκολο να δημιουργηθεί. «Πρέπει να το κάνεις με τον σωστό τρόπο», είπε ο Ντόιλ. Διαφορετικά, ο ελεγκτής αποσταθεροποιείται. Αντί να κλείνει τον στόχο του, ένας ασταθής ελεγκτής θα συνεχίσει να υπερβαίνει και θα αρχίσει να ταλαντεύεται γύρω του.

Ο Khammash ενώθηκε στις προσπάθειές του από τον Gabriele Lillacci, θεωρητικό τότε στο τελευταίο έτος του διδακτορικού του προγράμματος, και τη Stephanie Aoki, μεταδιδακτορική μικροβιολόγο. Το τρίο μετακόμισε στο κτίριο BSA-1058 στο Biopark Rosental στη Βασιλεία και άρχισαν να στήνουν το νέο τους εργαστήριο στον πρώτο όροφο. Κανένας από αυτούς δεν είχε εμπειρία με τη συνθετική βιολογία.

Το πρώτο σχέδιο που δοκίμασαν ο Aoki και ο Lillacci ήταν ένα απλό κύκλωμα που περιείχε ένα ζεύγος μορίων ελεγκτή:ουσιαστικά, την πρωτεΐνη Α, η οποία ενεργοποιεί ένα γονίδιο για την πρωτεΐνη Β και την ίδια την πρωτεΐνη Β, η οποία απενεργοποιεί το γονίδιο για την Α.

Δεν λειτούργησε. Ήταν μαύρες μέρες για τον Aoki και τον Lillacci. «Δεν κάνει αυτό που περιμένεις να κάνει, αυτό που ελπίζεις να κάνει», είπε ο Aoki. "Νιώθεις ότι δεν έχεις κανέναν έλεγχο σε αυτό."

Μέρος του προβλήματος ήταν ότι είναι απλώς πολύ δύσκολο να κατασκευαστεί ένα κύτταρο. Η μετάφραση καθιερωμένων εννοιών σε ηλεκτρικά και μηχανικά συστήματα σε βιολογικούς όρους είναι μια μεγάλη πρόκληση, εξήγησε ο Olsman. "Πώς αντιλαμβάνεστε πραγματικά αυτές τις ιδέες που μπορείτε να εφαρμόσετε με αντιστάσεις και πυκνωτές και να τις εφαρμόσετε με πρωτεΐνες και RNA και DNA;"

Και ακόμη και όταν το E τους. coli Τα κύτταρα τελικά άρχισαν να υποδεικνύουν ότι μπορούσαν να διορθώσουν μια διαταραχή, αυτό το αποτέλεσμα αποδείχθηκε ότι ήταν ένα πειραματικό τεχνούργημα. "Αυτή ήταν σαν μια από τις χειρότερες μέρες, νομίζω, στο εργαστήριο για μένα", είπε ο Lillacci.

Οι ερευνητές δεν το συνειδητοποίησαν εκείνη τη στιγμή, αλλά το πρώτο τους σχέδιο ήταν εγγενώς ελαττωματικό. Από μαθηματική άποψη, οι μονοκύτταροι οργανισμοί είναι πολύ διαφορετικά θηρία από ολόκληρα πλάσματα όπως οι αγελάδες:υπόκεινται σε στατιστικό «θόρυβο». Τα μεμονωμένα κύτταρα περιέχουν σχετικά λίγα μόρια, εξήγησε ο Khammash. Η τυχαιότητα από την πιθανότητα να συναντηθούν, να συγκρουστούν και να αντιδράσουν διάφορα μόρια μέσα σε ένα κύτταρο μπαίνει στο παιχνίδι πολύ πιο δυναμικά.

Ενεργοποιητές και αντι-Ενεργοποιητές

Στον όγδοο όροφο του BSA-1058, δύο θεωρητικοί στην ομάδα του Khammash, ο Corentin Briat και ο Ankit Gupta, άρχισαν να συζητούν μια νέα ιδέα στις αρχές του 2014. Για να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις του θορύβου, συνειδητοποίησε το δίδυμο, τα δύο μόρια ελεγκτή πρέπει να έχουν μια πολύ συγκεκριμένη σχέση:Πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους και να εξουδετερώνουν τη βιολογική δραστηριότητα του άλλου. Το ένα πρέπει να είναι το αντίθετο του άλλου.

Στα χαρτιά, οι Briat, Gupta και Khammash βρήκαν ένα νέο σχέδιο. Σε αυτόν τον βρόχο αρνητικής ανάδρασης, ένα μόριο ενεργοποιητή θα διεγείρει την παραγωγή μιας επιθυμητής πρωτεΐνης. Με τη σειρά του, η συγκέντρωση αυτής της πρωτεΐνης θα καθόριζε τον ρυθμό παραγωγής για ένα μόριο αντι-ενεργοποιητή, ένα μόριο που απομόνωσε τον ενεργοποιητή. Εάν κάτι ενοχλούσε το σύστημα, οποιοδήποτε σφάλμα στα επίπεδα πρωτεΐνης θα διορθωνόταν μέσω μιας αντίστοιχης αλλαγής στον ρυθμό παραγωγής αντι-ενεργοποιητή. Το καλύτερο από όλα, επειδή τα μόρια ενεργοποιητή και αντι-ενεργοποιητή θα αναζητούσαν και θα εξουδετέρωναν το ένα το άλλο, αυτός ο βρόχος θα λειτουργούσε ακόμη και σε ένα θορυβώδες κελί.

Ο Gupta απέδειξε μαθηματικά ότι αυτός ο σχεδιασμός θα είχε ως αποτέλεσμα έναν σταθερό ολοκληρωτή για θορυβώδη κυψελωτά συστήματα. Αλλά ήταν ακόμα εντελώς θεωρητικό. Το τρίο το είχε σχεδιάσει χωρίς να γνωρίζει πώς θα έμοιαζε ένα αντιθετικό ζεύγος μορίων ενεργοποιητή και αντι-ενεργοποιητή — ή ακόμα και αν υπήρχαν τέτοια ζεύγη. Και η μη εξοικείωση τους με τη βιολογία έγινε ζήτημα όταν ένας αναθεωρητής της θεωρίας τους ζήτησε ένα παράδειγμα.

Ο Khammash έστειλε email σε έναν φίλο του, τον βιολόγο Adam Arkin στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ζητώντας βοήθεια. Ο Arkin πρότεινε γρήγορα τους παράγοντες σίγμα και αντι-σίγμα πρωτεΐνης που είναι πανταχού παρόντες στα βακτήρια. Ο Arkin τα είχε χρησιμοποιήσει στο παρελθόν για να δημιουργήσει έναν συνθετικό διακόπτη σε κελιά.

Ούτε οι παράγοντες σίγμα και αντι-σίγμα ήταν οι μόνες επιλογές:Υπήρχαν επίσης νόημα και αντι-νοηματικά RNA, και διάφορα μόρια τοξινών και οι αντιτοξίνες τους. "Υπάρχουν τόνοι χημικών αντιδράσεων που το κάνουν αυτό", είπε ο Olsman.

Η θεωρία δημοσιεύτηκε τον Ιανουάριο του 2016 με πολύ ενθουσιασμό. «Ήταν πραγματικά ξεκάθαρο πώς να εφαρμοστεί αυτή η ενσωμάτωση», είπε ο Olsman. Δύο μήνες νωρίτερα, ο Khammash είχε ζητήσει από τον Aoki και τον Lillacci να εγκαταλείψουν το σχέδιο στο οποίο εργάζονταν για τρία χρόνια και να δοκιμάσουν τον αντίθετο ελεγκτή. «Το θεωρητικό θεμέλιο του ήταν πολύ πιο στέρεο», είπε ο Lillacci. Το δίδυμο συμφώνησε να δώσει μια ευκαιρία στο σχέδιο, χρησιμοποιώντας το ίδιο ζεύγος παραγόντων sigma και anti-sigma που είχε προτείνει ο Arkin.

Δεν λειτούργησε - τουλάχιστον, όχι αμέσως. Ο Aoki και ο Lillacci έπρεπε να περιηγηθούν γύρω από δύο σημαντικές υποθέσεις που δεν μπορούσαν να ισχύουν στην πραγματική ζωή. Το ένα ήταν ότι τα κύτταρα δεν θα αναπτυχθούν και δεν θα αραιώσουν τους παράγοντες που εμπλέκονται. Αλλά το έκαναν, και με την Ε. coli , τα κύτταρα διπλασιάζονταν κάθε 30 λεπτά περίπου. Το άλλο ήταν ότι ο ρυθμός έκφρασης πρωτεΐνης ενός γονιδίου μπορούσε να αυξηθεί απεριόριστα, ενώ στην πραγματικότητα, υπάρχει ένα όριο στην έκφραση ενός γονιδίου.

Το φθινόπωρο του 2017, ενώ οι συνάδελφοί του συνέχιζαν να αγωνίζονται στο εργαστήριο, ο Gupta παρακολούθησε ένα συνέδριο στο Οχάιο. Εκεί, συνάντησε άλλους ερευνητές που προσπαθούσαν επίσης να δημιουργήσουν ολοκληρωμένους σε κελιά χρησιμοποιώντας τη θεωρία του αντιθετικού ελεγκτή. Όλοι τους πάλευαν. Ο Gupta σκέφτηκε ότι μπορεί να υπάρχει άλλο σχέδιο που θα ήταν πιο εύκολο να εκτελεστεί, κάνοντας τη ζωή πιο εύκολη για τους πειραματιστές.

«Είναι εύλογο να αναρωτηθεί κανείς εάν, ίσως, υπάρχει πιο απλός τρόπος», είπε ο Lillacci. "Και μετά αποδεικνύεται ότι δεν υπάρχει."

Ο Gupta ανακάλυψε ότι οι μαθηματικοί περιορισμοί για την στιβαρή τέλεια προσαρμογή ήταν τόσο τεράστιοι, που περιόρισαν τα σχέδια κυκλωμάτων που θα ήταν σταθερά σε μια θορυβώδη ρύθμιση. Όλα αυτά απαιτούσαν ένα αντιθετικό ζεύγος ελεγκτών μορίων.

Ο Khammash και ο Gupta ενθουσιάστηκαν με τη μαθηματική απόδειξη ότι η προσέγγισή τους, αν και επίπονη, δεν ήταν απλώς καλή αλλά αναπόφευκτη. Και για τον Aoki και τον Lillacci, που έβλεπαν ήδη σημάδια ότι τα κύτταρά τους μπορούσαν να προσαρμοστούν στις διαταραχές, τα νέα τους κράτησαν.

"Το να μάθω ότι υπάρχει πραγματικά μόνο μία υποκείμενη τοπολογία που θα μπορούσε να το επιτύχει αυτό είναι πραγματικά πολύ εκπληκτικό για μένα", είπε ο Aoki.

Τέλος, ο Aoki και ο Lillacci κατασκεύασαν ένα σετ E. coli κύτταρα που ήταν σε θέση να διατηρήσουν έναν σταθερό φθορισμό, ακόμη και ενόψει των διαταραχών από ένα εισαγόμενο ένζυμο που έτρωγε την πράσινη πρωτεΐνη φθορισμού. Πιο δραματικά, σε ένα άλλο σύνολο κυττάρων, όταν μείωσαν τη θερμοκρασία επώασης από τους 37 βαθμούς Κελσίου στους 30, τα κύτταρα διατήρησαν τον ρυθμό ανάπτυξής τους. Τόσο η απόδειξη του Gupta όσο και τα πειράματα του Aoki και του Lillacci αναφέρθηκαν στο Nature αυτόν τον Ιούνιο.

Ο Olsman ελπίζει ότι αυτό το παράδειγμα θα βοηθήσει να φέρει μια πιο ορθολογική, βασισμένη στα μαθηματικά προσέγγιση στη συνθετική βιολογία, όπως στη μηχανική. «Δεν κατασκευάζουμε χίλια αεροπλάνα, τα βάζουμε στον ουρανό και ελπίζουμε να μην πέσουν κάτω», είπε.

Και πέρα ​​από την ισχυρή τέλεια προσαρμογή, πολλά άλλα κρυπτικά βιολογικά φαινόμενα περιμένουν να αποκρυπτογραφηθούν, ελπίζει ο Ντόιλ, με τη βοήθεια των μαθηματικών.