Bij complexe biologische processen zoals het metabolisme zijn vaak duizenden verbindingen betrokken die door chemische reacties zijn gekoppeld. Deze procesketens worden door onderzoekers beschreven als chemische reactienetwerken. Onderzoekers van de Universiteit van Luxemburg hebben nieuwe wiskundige methoden ontwikkeld om de energetische eigenschappen van deze netwerken te bestuderen. De wetenschappers publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordeling X .

De paper opgesteld door de onderzoeksgroep van Prof Massimiliano Esposito onderzoekt hoe zeer kleine biologische systemen werken op moleculair niveau. Deze systemen zijn onderhevig aan grote schommelingen in massa, waardoor hun gedrag moeilijk te voorspellen is. Om ze te beschrijven, de onderzoekers gebruiken een probabilistische benadering die de dynamiek van deze systemen berekent op basis van de statistische waarschijnlijkheid dat veranderingen zullen optreden. Met behulp van deze probabilistische beschrijvingen, de groep bestudeert hoe deze systemen energie en materie uitwisselen met hun omgeving en hoeveel energie ze tijdens deze processen dissiperen - een discipline die bekend staat als stochastische thermodynamica. Echter, op het gebied van complexe chemische reactienetwerken, probabilistische beschrijvingen worden onhaalbaar omdat er duizenden moleculen bij betrokken zijn. De auteurs lieten zien hoe de wiskundige methoden die zijn ontwikkeld voor kleine systemen kunnen worden gebruikt om deze netwerken te onderzoeken.

"Momenteel, rigoureuze thermodynamische modellen voor dit soort netwerken ontbreken. Ons werk maakt de weg vrij voor thermodynamische karakteriseringen van echte chemische netwerken, zoals stofwisseling, " legt Riccardo Rao uit, de hoofdauteur van het artikel. "We zien deze netwerken als machines die sommige verbindingen in andere transformeren. Sommige verbindingen worden verbruikt terwijl ze de processen 'voeden'. Onze beschrijving beantwoordt vragen als:is dit proces efficiënt? Hoeveel energie dissipeert het? Als we de systeem, hoe zal het reageren?"

Momenteel, hun onderzoek richt zich op modellen van metabole netwerken, waarvoor enkele vereenvoudigende benaderingen nodig zijn. "We gebruiken dit raamwerk nu om specifieke klassen van chemische reactienetwerken te onderzoeken, zoals metabole netwerken, " zei Riccardo Rao. Ook, het onderzoeksteam zal samenwerken met biologen en chemici om de resultaten te testen en toe te passen op concrete biologische systemen. Onderzoek in deze richting met groepen van het Luxembourg Centre for Systems Biomedicine is al aan de gang.