Ερευνητές Προσομοιώνουν την Κίνηση Μονοκυττάρων Οργανισμών

Μια ερευνητική ομάδα στο TU Wien (Βιέννη) κατάφερε να προσομοιώσει τη διαδικασία των μονοκυττάρων οργανισμών που κινούνται προς μια επιθυμητή κατεύθυνση, παρά το ότι δεν έχουν εγκέφαλο ή νευρικό σύστημα. Πριν από τις νέες εξελίξεις, οι ερευνητές δεν ήξεραν πώς τα μικρά όργανα ήταν ικανά για τέτοια διαδικασία.

Η ομάδα υπολόγισε την φυσική αλληλεπίδραση μεταξύ ενός απλού μοντέλου οργανισμού και του περιβάλλοντός του, με το δεύτερο να είναι ένα υγρό με μη ομοιόμορφη χημική σύνθεση που περιέχει ασύμμετρα κατανεμημένες πηγές τροφής.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό PNAS.

Ο Προσομοιωμένος Οργανισμός

Οι ερευνητές εξόπλισαν τον προσομοιωμένο οργανισμό με την ικανότητα να επεξεργάζεται δεδομένα σχετικά με την τροφή και το περιβάλλον του. Με την εξάρτηση από einen αλγόριθμο μηχανικής μάθησης, η επεξεργασία των πληροφοριών μπορούσε να τροποποιηθεί και να βελτιωθεί σε εξελικτικές βήματα. Αυτό σήμαινε ότι οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν υπολογιστή οργανισμό ικανό να κινούνται και να αναζητούν τροφή παρόμοια με τους πραγματικούς οργανισμούς.

Ο Andreas Zöttl ηγήθηκε του ερευνητικού προγράμματος στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο TU Wien.

«Στην πρώτη ματιά, είναι εκπληκτικό ότι ένα τόσο απλό μοντέλο μπορεί να λύσει ένα τόσο δύσκολο πρόβλημα», λέει ο Zöttl. «Τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν υποδοχείς για να καθορίσουν προς ποια κατεύθυνση, για παράδειγμα, η συγκέντρωση οξυγόνου ή θρεπτικών ουσιών αυξάνεται, και αυτή η πληροφορία στη συνέχεια προκαλεί μια κίνηση προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Αυτό ονομάζεται χημοταξία.»

Ενώ οι πολυκυττάροι οργανισμοί έχουν μια σύνδεση νευρικών κυττάρων, οι μονόκυτταροι οργανισμοί δεν έχουν νευρικά κύτταρα. Λόγω αυτού, μπορούν να περάσουν μόνο από απλές βήματα επεξεργασίας μέσα στο κύτταρο.

«Για να εξηγήσουμε αυτό, χρειαζόμαστε ένα ρεαλιστικό, φυσικό μοντέλο για την κίνηση των μονοκυττάρων οργανισμών», λέει ο Zöttl. «Επιλέξαμε το πιο απλό μοντέλο που φυσικά επιτρέπει ανεξάρτητη κίνηση σε ένα υγρό. Ο μονόκυτταρος οργανισμός μας αποτελείται από τρεις μάζες που συνδέονται με απλοποιημένα μύες. Το ερώτημα τώρα είναι: μπορούν αυτοί οι μύες να συντονιστούν με τέτοιο τρόπο ώστε ολόκληρος ο οργανισμός να κινούνται προς την επιθυμητή κατεύθυνση; Και πάνω από όλα: μπορεί αυτή η διαδικασία να πραγματοποιηθεί με ένα απλό τρόπο, ή απαιτεί複잡ές έλεγχο;»

Εφαρμογή του Υπολογιστικού Μοντέλου

Ο Benedikt Hartl ήταν ο υπεύθυνος για την εφαρμογή του μοντέλου στον υπολογιστή.

«Ακόμη και αν ο μονόκυτταρος οργανισμός δεν έχει ένα δίκτυο νευρικών κυττάρων — τα λογικά βήματα που συνδέουν τις ‘αισθητικές εντυπώσεις’ του με την κίνησή του μπορούν να περιγραφούν μαθηματικά με παρόμοιο τρόπο με ένα νευρωνικό δίκτυο», λέει ο Hartl.

Οι μονόκυτταροι οργανισμοί έχουν λογικές συνδέσεις μεταξύ διαφόρων στοιχείων του κυττάρου, και η κίνηση λαμβάνει χώρα όταν χημικά σήματα ενεργοποιούνται.

Ο Maximilian Hübl ολοκλήρωσε μερικά από τους υπολογισμούς στην έρευνα.

«Αυτά τα στοιχεία και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζουν ο ένας τον άλλον προσομοιώθηκαν στον υπολογιστή και調整θηκαν με έναν γενετικό αλγόριθμο: Γενιά μετά γενιά, η στρατηγική κίνησης των εικονικών μονοκυττάρων οργανισμών άλλαξε ελαφρά», αναφέρει ο Hübl.

Όταν οι μονόκυτταροι οργανισμοί κατάφεραν να κατευθύνουν την κίνησή τους προς τις επιθυμητές χημικές ουσίες, τους επιτρεπόταν να «αναπαραχθούν», ενώ εκείνοι που δεν το κατάφεραν «εξαφανίστηκαν». Μετά από πολλές γενιές, έλαβε χώρα ένας τύπος εξέλιξης και εμφανίστηκε ένα δίκτυο ελέγχου. Αυτό το δίκτυο επέτρεψε σε έναν εικονικό μονόκυτταρο οργανισμό να μετατρέψει χημικές αντεπιδράσεις σε στοχευμένη κίνηση, και το κάνει με ένα απλό και βασικό κύκλωμα.

«Δεν πρέπει να το σκέφτεστε ως ένα εξελιγμένο ζώο που συνειδητά αντιλαμβάνεται κάτι και στη συνέχεια τρέχει προς αυτό», λέει ο Zöttl. «Είναι περισσότερο σαν μια τυχαία κίνηση. Αλλά μια που τελικά οδηγεί στη σωστή κατεύθυνση κατά μέσο όρο. Και αυτό είναι ακριβώς αυτό που παρατηρείτε με τους μονόκυτταρους οργανισμούς στη φύση».