W znakomitym artykule przeglądowym, zatytułowanym Design Patterns of Biological Cells [Wzorce projektowe w komórkach żywych], wykazano, że wzorce projektowe są „ogólnymi rozwiązaniami powtarzających się problemów”1. Teoria inteligentnego projektu, zgodnie z którą pewne aspekty przyrody lepiej wyjaśnia aktywność inteligencji niż działające na zasadzie prawa regularności oraz zdarzenia przypadkowe, przewiduje istnienie wzorców projektowych w przyrodzie. Jest tak dlatego, że wzorce projektowe są opracowywanymi przez projektantów, wywodzącymi się z obszaru techniki rozwiązaniami problemów napotykanych w przestrzeni projektowej.
Autorzy przyglądają się trzem typom wzorców projektowych. Dla każdego typu wybiorę jedną subkategorię, którą omówię nieco bardziej szczegółowo. Następnie pokażę, że każdy typ wzorca projektowego wymaga bezpośredniego działania istoty inteligentnej. Oto te trzy kategorie:
- „Stwórcze” – opisują powtarzające się wzorce związane z tworzeniem części składowych komórki.
- „Strukturalne” – opisują wzajemne połączenia lub związki między obiektami w komórce.
- „Behawioralne” – opisują zachowanie obiektów komórkowych w czasie.
Stwórcze wzorce projektowe
Autorzy identyfikują pięć subkategorii stwórczych wzorców projektowych. Pierwszą z nich jest matrycowanie. Komórki muszą utrzymywać informację w DNA i zapobiegać jej degradacji z upływem czasu i wskutek zdarzeń przypadkowych. Rozwiązaniem tego problemu jest matrycowanie, dzięki któremu oryginalna informacja jest wiernie odwzorowywana bądź kopiowana. Matrycowanie w komórce obejmuje replikację, transkrypcję i translację DNA. Wskazuje ono na inteligentne źródło projektu, ponieważ wymaga zrozumienia narzucanych przez prawa fizyki i chemii oddziaływań, które trzeba przezwyciężyć, aby informacja mogła ulec zachowaniu. Matrycowanie wymaga również wybiegania w przyszłość, aby można było wyobrazić sobie rozwiązanie, wynaleźć takie nieredukowalnie złożone maszyny molekularne, jak polimeraza DNA, polimeraza RNA i rybosom. Wreszcie, matrycowanie stworzenia samej informacji, fizycznego kodu DNA dla polimeraz i rybosomu.
Strukturalne wzorce projektowe
Wzorce strukturalne to wzorce projektowe oparte na związkach między obiektami. Autorzy identyfikują sześć subkategorii wzorców strukturalnych. Z trzecią subkategorią mamy do czynienia powszechnie.
W różnych typach komórek występuje wiele takich samych metabolitów, w tym takie pospolite magazynowane formy energii, jak ATP. Tradycyjnie uznaje się to po prostu za skutek wspólnego pochodzenia, ale istnieje po temu pewna ważna racja projektowa. Dzięki wykorzystaniu takich samych środków upraszcza się interakcje między obiektami. Na przykład łatwiej zatankować samochód benzyną, jeśli wszędzie można kupić taką samą benzynę. Niezależnie od tego, dokąd podróżujesz, inni ludzie też muszą tankować swoje samochody, a więc prawdopodobieństwo, że w różnych miejscach będziesz mógł kupić benzynę odpowiednią dla twojego samochodu, jest duże. Oto kolejny przykład: łatwiej jest kupić artykuły spożywcze za pomocą powszechnie obowiązującej waluty, takiej jak amerykański dolar, ponieważ wówczas nie trzeba ciągle wymieniać pieniędzy, aby móc dokonać zakupu, i na dodatek prawdopodobnie płacić prowizję za ich wymianę.
Komórki stają w obliczu podobnych ograniczeń. Są zależne od pewnych producentów energii w określonym czasie i ponoszą koszty interkonwersji energii. W związku z tym ATP to prawdopodobnie zaprojektowane rozwiązanie, które spełnia wspomniane wyżej wymagania. Autorzy wskazują, że wspólne wzorce topologiczne mają ściśle określoną architekturę. W tego typu architekturze wiele składników pokarmowych jest wspólnych i dlatego może wykonywać wiele różnych zadań. Ten projektowy motyw wymaga udziału istoty inteligentnej, ponieważ cele ekosystemu i organizmów żywych muszą zostać wzięte pod uwagę, zanim stworzy się środki, które będą odpowiednie dla różnych obiektów niższego rzędu. Pociąga to za sobą zrozumienie tego, jak wszystkie elementy będą ze sobą powiązane i co jest możliwe w fizycznej i chemicznej przestrzeni projektowej, a także opracowanie i realizację planu. Takie zdolności mają tylko istoty inteligentne – procesy losowe nie mogą ich posiadać.
Behawioralne wzorce projektowe
Behawioralne wzorce projektowe koncentrują się na dynamice sieci reakcji. Autorzy identyfikują osiem wzorców tego typu. Przykładem jest przełączanie, które występuje, gdy kontinuum danych wejściowych musi ulec konwersji na jakieś nieciągłe dane wyjściowe. Najpowszechniejszym sposobem realizacji tego zadania jest wykorzystanie ultraczułości lub bistabilności. Przełączniki ultraczułe ułatwiają ustanowienie ostrego progu reakcji, który gwarantuje, że system znajduje się w pełni w jednym stanie albo w drugim, ale nie w jakimś stanie pośrednim. Można to osiągnąć na różne sposoby. Klasycznym przykładem ultraczułości w biologii jest niezbędny przełącznik hemoglobiny, który przełącza ją ze stanu wiązania tlenu w płucach do stanu uwalniania tlenu w mięśniach. Jest to możliwe dzięki allosterycznemu projektowi hemoglobiny. Gdy ciśnienie cząstkowe tlenu jest wysokie (w płucach), związanie jednej cząsteczki tlenu ułatwia wiązanie kolejnej cząsteczki tlenu. Co ważne, kiedy naniesie się na wykres procent cząsteczek hemoglobiny związanych z tlenem w stosunku do ciśnienia cząstkowego tlenu, to otrzymana krzywa jest sigmoidalna, a nie hiperboliczna. Sigmoidalny kształt krzywej wskazuje na to, że w płucach wiązanie tlenu jest łatwiejsze po związaniu pierwszej cząsteczki, a uwalnianie tlenu staje się łatwiejsze w mięśniach po uwolnieniu pierwszej cząsteczki.
Ultraczułość, reprezentowana przez tę krzywą sigmoidalną, można uzyskać w też inny sposób. Przypuśćmy, że istnieje cykl fosforylacji i defosforylacji, w którym kinaza i fosfataza działają na poziomach nasycenia i mają stałe szybkości niezależne od koncentracji ich substratów. Chociaż nie jest to łatwo dostrzegalne, zanim nie przedstawi się tego graficznie na wykresie, to ta reakcja również jest ultraczuła, czyli reprezentuje ją krzywa sigmoidalna. Ze względu na te warunki cykl może dokonywać ostrych przełączeń między znajdowaniem się niemal całkowicie w jednym stanie albo prawie zupełnie w innym stanie2.
Jeszcze inny sposób uzyskania ultraczułości polega na tym, że na kinazie jest wiele miejsc fosforylacji, w których kinaza nie jest aktywna przed ukończeniem fosforylacji, a każda kolejna fosforylacja zachodzi nieco łatwiej od wcześniejszej3.
Kolejnym przykładem jest inhibicja oparta na koncentracji. W tym przypadku silnie związany inhibitor może przeciwdziałać aktywności enzymu dopóty, dopóki koncentracja enzymu nie będzie większa od koncentracji inhibitora. Gdy będzie większa, enzym nie będzie ulegać inhibicji i zostanie szybko włączony.
Ostatnim i nieco odmiennym przykładem jest dodatnie sprzężenie zwrotne. Częściej występuje ono w sieciach rozwojowych niż w sieciach sensorycznych. Dlaczego tak jest? Dodatnie sprzężenie zwrotne spowalnia szybkość reakcji, co jest korzystne w przypadku procesów wieloetapowych, które są czasochłonne lub działają z opóźnieniem. Wolniejsze reakcje mogą też pomagać w redukcji szumu, co jest ważne przy podejmowaniu nieodwracalnych decyzji. Dodatnia regulacja jest jednak w stanie prowadzić do czegoś więcej, mianowicie do dokonywania ostrych wyborów między dwoma stanami i zapamiętywania tych wyborów przez długi czas – to zjawisko określa się mianem bistabilności. Rozważmy dodatnie sprzężenie zwrotne w regulacji genów: kiedy gen zostanie aktywowany w wyniku dodatniej autoregulacji, to pozostaje on w stanie włączenia. Będzie włączony nawet po zniknięciu wyjściowego bodźca, a więc będzie miał długotrwałą pamięć o uprzednim jego istnieniu. Ten typ przełączania jest wykorzystywany w ramach procesu rozwoju do podejmowania nieodwracalnych decyzji, które przesądzają o konkretnych losach komórek4.
Dlaczego projektowy motyw przełączania wskazuje na inteligencję? Projektowanie skutecznych przełączników wymaga zrozumienia systemu i tego, co musi podlegać kontroli – „co trzeba włączyć lub wyłączyć i kiedy”. Należy rozważyć, czy kontrola powinna być manualna, czy automatyczna. Konstruowanie właściwych przełączników wymaga ponadto wiedzy w zakresie bezpieczeństwa. Przełączanie jest też często konieczne w operacjach sekwencyjnych. Typ, czułość, konstrukcję i kompatybilność przełącznika należy przemyśleć przed jego wytworzeniem. Każdy przełącznik funkcjonuje w systemie w określony sposób, sprawiając wrażenie, że „zna” lub „antycypuje” zachowanie innego przełącznika, co może prowadzić do bardziej złożonego zachowania.
Po co badać wzorce projektowe?
Przydatne byłoby stworzenie listy rozwiązań wykorzystywanych przez komórki do radzenia sobie z konkretnymi problemami. Wzorce projektowe umożliwiają ujęcie szerokiego zakresu funkcji komórkowych za pomocą wygodnego zbioru różnych wzorców powiązanych z pełnionymi przez nie funkcjami i pokazującego, jak pozwalają one rozwiązywać pewne problemy. Analiza tych wzorców – taka, jaką przeprowadziliśmy w przypadku różnych znanych nam sposobów uzyskiwania ultraczułości – prowadzi do głębszego zrozumienia, dlaczego mechanizmy komórkowe działają w taki, a nie inny sposób. W związku z tym wzorce projektowe w komórkach żywych stanowią także znakomitą ilustrację tego, jak badania oparte na idei projektu mogą zwiększyć stopień naszej wiedzy biologicznej.
Emily Reeves
Oryginał: Review Article Explores Design Patterns in Biological Cells, „Evolution News & Science Today” 2024, August 1 [dostęp: 25 IV 2025].
Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan
Przypisy
- S.S. Andrews, H.S. Wiley, H.M. Sauro, Design Patterns of Biological Cells, „BioEssays” 2024, Vol. 46, No. 3, numer artykułu: 2300188, https://doi.org/10.1002/bies.202300188.
- Por. J.E. Ferrell Jr., S.H. Ha, Ultrasensitivity Part I: Michaelian Responses and Zero-Order Ultrasensitivity, „Trends in Biochemical Sciences” 2014, Vol. 39, No. 10, s. 496–503, https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.08.003.
- Por. J.E. Ferrell Jr., S.H. Ha, Ultrasensitivity Part II: Multisite Phosphorylation, Stoichiometric Inhibitors, and Positive Feedback, „Trends in Biochemical Sciences” 2014, Vol. 39, No. 11, s. 556–569, https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.09.003.
- Por. U. Alon, An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits, 2nd ed., CRC Press, Boca Raton 2019.
Literatura:
1. Alon U., An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits, 2nd ed., CRC Press, Boca Raton 2019.
2. Andrews S.S., Wiley H.S., Sauro H.M., Design Patterns of Biological Cells, „BioEssays” 2024, Vol. 46, No. 3, numer artykułu: 2300188, https://doi.org/10.1002/bies.202300188.
3. Ferrell J.E. Jr., Ha S.H., Ultrasensitivity Part I: Michaelian Responses and Zero-Order Ultrasensitivity, „Trends in Biochemical Sciences” 2014, Vol. 39, No. 10, s. 496–503, https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.08.003.
4. Ferrell J.E. Jr., Ha S.H., Ultrasensitivity Part II: Multisite Phosphorylation, Stoichiometric Inhibitors, and Positive Feedback, „Trends in Biochemical Sciences” 2014, Vol. 39, No. 11, s. 556–569, https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.09.003.