We hebben de neiging om de hersenen en de spieren te scheiden; de hersenen denken; de spier doet het werk. De hersenen nemen complexe informatie over de wereld op en nemen beslissingen, en de spier voert alleen maar uit. Dit heeft ook vorm gegeven aan de manier waarop we over een enkele cel denken; sommige moleculen in cellen worden gezien als 'denkers' die informatie over de chemische omgeving tot zich nemen en beslissen wat de cel moet doen om te overleven; afzonderlijk worden andere moleculen gezien als de 'spier', bouwstructuren die nodig zijn om te overleven.

Maar een nieuwe studie laat zien hoe de moleculen die structuren bouwen, dat wil zeggen de spieren, zelf zowel het denken als het doen kunnen doen. Het onderzoek, uitgevoerd door wetenschappers van de Universiteit van Chicago, California Institute of Technology en Maynooth University, werd gepubliceerd in Nature en kan mogelijkheden aanreiken voor nieuwe manieren om na te denken over berekeningen met behulp van de principes van de natuurkunde.

"We laten zien dat een natuurlijk moleculair proces – nucleatie – dat lange tijd als een 'spier' is bestudeerd, complexe berekeningen kan uitvoeren die kunnen wedijveren met een eenvoudig neuraal netwerk", zegt UChicago Assoc. Prof. Arvind Murugan, een van de twee senior co-auteurs van het artikel. "Het is een vermogen dat in het volle zicht verborgen is:de 'doende' moleculen kunnen ook het 'denken' doen. Evolutie kan dit feit in cellen benutten om meer gedaan te krijgen met minder onderdelen, met minder energie en grotere robuustheid."

Denken met natuurkunde

Om te overleven moeten cellen de omgeving waarin ze zich bevinden herkennen en dienovereenkomstig reageren. Sommige combinaties van moleculen kunnen bijvoorbeeld duiden op een tijd van stress waarin je je moet terugtrekken, terwijl andere combinaties van moleculen een tijd van overvloed kunnen aangeven. Het verschil tussen deze moleculaire signalen kan echter subtiel zijn:bij verschillende omgevingen kunnen dezelfde moleculen betrokken zijn, maar in verschillende verhoudingen.

Constantine Evans, de hoofdauteur van het onderzoek, legde uit dat het een beetje lijkt op het binnenlopen van een huis en het ruiken van versgebakken koekjes versus het ruiken van brandend rubber. "Je hersenen zouden je gedrag veranderen, afhankelijk van of je verschillende combinaties van geurige chemicaliën waarneemt," zei hij. "We wilden ons afvragen of alleen de fysica van een moleculair systeem hetzelfde kan doen, ondanks dat we geen enkel brein hebben."

De traditionele opvatting was dat cellen op deze manier zouden kunnen waarnemen en reageren met behulp van moleculaire circuits die conceptueel lijken op de elektronische circuits in je laptop; sommige moleculen voelen de hoeveelheid zout en zuur in de omgeving, andere moleculen nemen een beslissing over wat ze moeten doen, en uiteindelijk kunnen 'spiermoleculen' als reactie daarop een actie uitvoeren, zoals het bouwen van een interne beschermende structuur of een pomp om ongewenste moleculen te verwijderen .

Murugan en zijn collega's wilden een alternatief idee onderzoeken:dat al deze taken (waarneming, besluitvorming, reactie) in één stap kunnen worden volbracht door de fysica die inherent is aan de 'spier'-moleculen die een structuur bouwen.

Ze deden dit door te werken met het principe van ‘faseovergangen’. Denk aan een glas water dat bevriest als het 32F raakt; eerst 'kiemt' een klein stukje ijs, en groeit dan uit totdat het hele glas water bevroren is.

Op het eerste gezicht lijken deze eerste stappen in de handeling van bevriezing – in de natuurkunde ‘nucleatie’ genoemd – niet op ‘denken’. Maar de nieuwe studie toont aan dat de handeling van bevriezen op subtiele wijze verschillende chemische combinaties kan ‘herkennen’ – bijvoorbeeld de geur van havermout-rozijnenkoekjes versus chocoladestukjes – en als reactie daarop verschillende moleculaire structuren kan opbouwen.

Robuustheid in experimenten

De wetenschappers testten de robuustheid van op 'faseovergangen' gebaseerde besluitvorming met behulp van DNA-nanotechnologie, een vakgebied dat Erik Winfree (BS'91) hielp pionieren. Ze toonden aan dat een mengsel van moleculen een van de drie structuren zou vormen, afhankelijk van de concentraties van moleculen die in het bekerglas aanwezig waren.

"In elk geval kwamen de moleculen samen om verschillende structuren op nanometerschaal te bouwen als reactie op verschillende chemische patronen - behalve dat de handeling van het bouwen van de structuur op zichzelf de beslissing nam over wat te bouwen, " zei Winfree.

Uit het experiment bleek dat deze op spierkracht gebaseerde besluitvorming verrassend robuust en schaalbaar was. Met relatief eenvoudige experimenten konden de onderzoekers patroonherkenningsproblemen oplossen waarbij ongeveer duizend soorten moleculen betrokken waren – bijna een tien keer groter probleem dan eerder was gedaan met andere benaderingen die 'hersen'- en 'spier'-componenten van elkaar scheidden.

Het werk wijst op een nieuwe kijk op berekeningen, waarbij het niet gaat om het ontwerpen van circuits, maar eerder om het ontwerpen van wat natuurkundigen een fasediagram noemen. Voor water zou een fasediagram bijvoorbeeld de temperatuur- en drukomstandigheden kunnen beschrijven waarin vloeibaar water zal bevriezen of koken, wat 'spierachtige' materiaaleigenschappen zijn. Maar dit werk laat zien dat het fasediagram naast ‘doen’ ook ‘denken’ kan coderen, wanneer het wordt opgeschaald naar complexe systemen met veel verschillende soorten componenten.

"Natuurkundigen hebben traditioneel dingen bestudeerd als een glas water, dat veel moleculen bevat, maar ze zijn allemaal identiek. Maar een levende cel zit vol met veel verschillende soorten moleculen die op complexe manieren met elkaar interageren", zegt co-auteur Jackson O'Brien (Ph.D.'21), die als afgestudeerde natuurkundestudent aan de UChicago bij het onderzoek betrokken was. "Dit resulteert in duidelijke opkomende mogelijkheden van systemen met meerdere componenten."

De theorie in dit werk trok wiskundige analogieën tussen dergelijke uit meerdere componenten bestaande systemen en de theorie van neurale netwerken; de experimenten wezen erop hoe deze uit meerdere componenten bestaande systemen de juiste computereigenschappen kunnen leren door middel van een fysiek proces, net zoals de hersenen leren verschillende geuren te associëren met verschillende acties.

Hoewel bij de experimenten hier DNA-moleculen in een reageerbuis betrokken waren, zijn de onderliggende concepten (nucleatie in systemen met vele soorten componenten) breed van toepassing op veel andere moleculaire en fysieke systemen, aldus de auteurs.

"DNA laat ons experimenteel complexe mengsels van duizenden soorten moleculen bestuderen, en systematisch de impact begrijpen van hoeveel soorten moleculen er zijn en de soorten interacties die ze hebben, maar de theorie is algemeen en zou op elk soort molecuul van toepassing moeten zijn. " legde Winfree uit.

"We hopen dat dit werk een stimulans zal zijn voor het blootleggen van verborgen 'denkvermogens' in andere uit meerdere componenten bestaande systemen die momenteel slechts 'spieren' lijken te zijn", aldus Murugan.

Meer informatie: Constantine Glen Evans et al., Patroonherkenning in de nucleatiekinetiek van zelfassemblage zonder evenwicht, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06890-z

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Universiteit van Chicago