وبلاگ

چه زمانی می توان گفت که خاصیت خاصی از یک سیستم پایدار است؟ به طور شهودی، استحکام به این معنی است که حتی تحت تأثیر اغتشاشات خارجی در سیستم، مهم نیست که چقدر قوی یا تصادفی باشد، ویژگی مذکور بدون تغییر باقی می‌ماند. در ریاضیات به خواص جسمی که در برابر تغییر شکل مقاوم است توپولوژیک می گویند. به عنوان مثال، حروف s، S و L را می توان با کشش یا خم کردن شکل خود به یکدیگر تبدیل کرد. این امر در مورد حروف o، O و D نیز صادق است. با این حال، غیرممکن است که یک S بدون یک عملیات ناپیوسته، مانند بریدن O یا چسباندن دو سر S به یکدیگر، به O تبدیل شود. بنابراین، می گوییم که حروف s، S و L دارای توپولوژی یکسانی هستند – مانند حروف o، O و D – در حالی که دو گروه حروف دارای توپولوژی های متفاوتی هستند. اما توپولوژی چگونه با زیست شناسی ارتباط دارد؟

ایولین تانگ، یکی از نویسندگان این مقاله توضیح می دهد: “در دهه های اخیر، فیزیکدانان کشف کرده اند که برخی از خواص سیستم های کوانتومی تنها به توپولوژی برخی از ویژگی های اساسی سیستم، مانند فاز تابع موج یا طیف انرژی آن بستگی دارد.” مطالعه. ما می‌خواستیم بدانیم که آیا این مدل می‌تواند برای سیستم‌های بیوشیمیایی نیز برای توصیف و درک بهتر فرآیندهای غیرتعادلی به کار رود. از آنجایی که توپولوژی به آشفتگی های پیوسته حساس نیست – مانند کشش یا خم شدن حروف در مثال بالا – ویژگی های مرتبط با توپولوژی بسیار پایدار هستند. آنها بدون تغییر می مانند مگر اینکه تغییر کیفی در سیستم ایجاد شود، مانند برش یا چسباندن حروف بالا. دانشمندان Evelyn Tang، Jaime Agudo-Canalejo و Ramin Golestanian اکنون نشان داده‌اند که همان مفهوم حفاظت توپولوژیکی را می‌توان در سیستم‌های بیوشیمیایی یافت و از استحکام فرآیندهای بیوشیمیایی مرتبط اطمینان می‌دهد.

یکی از شناخته شده ترین مشاهدات در مورد توپولوژی در سیستم های کوانتومی، اثر هال کوانتومی است: این پدیده زمانی رخ می دهد که یک ماده رسانای دو بعدی تحت یک میدان مغناطیسی عمود بر هم قرار گیرد. در چنین تنظیماتی، الکترون‌های موجود در ماده شروع به حرکت در دایره‌های کوچکی می‌کنند که به عنوان مدارهای سیکلوترون شناخته می‌شوند، که معمولاً منجر به هیچ جریان خالصی در بخش عمده مواد نمی‌شود. با این حال، در لبه‌های ماده، الکترون‌ها قبل از تکمیل یک مدار به بیرون منعکس می‌شوند و به طور موثر در جهت مخالف حرکت می‌کنند و در نتیجه جریان خالص الکترون‌ها در آن لبه‌ها ایجاد می‌شود. نکته مهم این است که این جریان لبه بدون توجه به شکل لبه‌ها رخ می‌دهد و حتی اگر لبه‌ها به شدت تغییر شکل داده باشند، باقی می‌ماند و ماهیت توپولوژیکی و در نتیجه پایداری اثر را برجسته می‌کند.

محققان متوجه تشابهی بین چنین مدارهای سیکلوترون در اثر هال کوانتومی و مشاهده ای در سیستم های بیوشیمیایی به نام “چرخه های بیهوده” شدند: چرخه های واکنش هدایت شده ای که انرژی مصرف می کنند اما حداقل در نگاه اول بی فایده هستند. به عنوان مثال، ماده شیمیایی A را می توان به B تبدیل کرد، که می تواند به C تبدیل شود، و سپس می توان آن را به A تبدیل کرد. این سوال را ایجاد می کند: آیا ممکن است، مانند مدار سیکلوترون در اثر هال کوانتومی، چرخه های بیهوده ایجاد کنند. افزایش به جریان های محدود، منجر به یک شار خالص در یک شبکه دو بعدی از واکنش های بیوشیمیایی؟

به این ترتیب، نویسندگان فرآیندهای بیوشیمیایی را که در فضای دو بعدی رخ می‌دهند، مدل‌سازی کرده‌اند. یک مثال ساده دینامیک مونتاژ یک پلیمر زیستی است که از دو زیرواحد مختلف X و Y تشکیل شده است: یک چرخه بیهوده در جهت عقربه های ساعت با اضافه کردن یک زیر واحد Y، اضافه کردن یک زیر واحد X، حذف یک زیر واحد Y و حذف یک زیرواحد مطابقت دارد. زیر واحد X، که سیستم را به حالت اولیه خود باز می گرداند. اکنون چنین فضای دوبعدی همچنین دارای “لبه” خواهد بود که نشان دهنده محدودیت های موجود در زیر واحدها است. همانطور که انتظار می رفت، محققان دریافتند که جریان های خلاف جهت عقربه های ساعت در امتداد این لبه ها در واقع به طور خود به خود رخ می دهند. Jaime Agudo-Canalejo، یکی از نویسندگان این مطالعه، توضیح می دهد: “در این زمینه بیوشیمیایی، جریان های پایانه با نوسانات چرخه ای در مقیاس بزرگ در سیستم مطابقت دارند. در مثال یک پلیمر زیستی، آنها به چرخه ای منجر می شوند که در آن ابتدا همه زیرواحدهای X در سیستم به پلیمر اضافه می‌شوند و به دنبال آن همه زیرواحدهای Y، سپس ابتدا همه زیرواحدهای X و در نهایت همه زیر واحدهای Y دوباره حذف می‌شوند، بنابراین حلقه کامل می‌شود.

مانند سیستم کوانتومی هال، به نظر می‌رسد این جریان‌های محدود بیوشیمیایی در برابر تغییرات در شکل مرزهای سیستم یا اختلال در بخش عمده سیستم مقاوم هستند. بنابراین، هدف محققان این بود که بررسی کنند که آیا توپولوژی واقعاً زیربنای این انعطاف‌پذیری است یا خیر. با این حال، ابزارهای مورد استفاده در سیستم‌های کوانتومی مستقیماً برای سیستم‌های بیوشیمیایی که زیربنای قوانین تصادفی کلاسیک هستند قابل استفاده نیستند. برای این منظور، محققان نقشه‌ای بین سیستم بیوشیمیایی خود و یک کلاس عجیب از سیستم‌ها به نام سیستم‌های کوانتومی غیرهرمیتی ابداع کردند. ایولین تانگ، که پیشینه ای در زمینه ماده کوانتومی توپولوژیکی دارد، به یاد می آورد: «هنگامی که این نقشه برداری ایجاد شد، کل جعبه ابزار سیستم های کوانتومی توپولوژیکی در دسترس ما قرار گرفت. سپس می‌توانیم نشان دهیم که در واقع جریان‌های نهایی به دلیل حفاظت توپولوژیکی پایدار هستند. علاوه بر این، ما دریافتیم که وقوع جریان‌های پایانه ذاتاً به ماهیت غیرتعادلی چرخه‌های بیهوده که توسط مصرف انرژی هدایت می‌شوند مرتبط است.

استحکام ناشی از حفاظت توپولوژیکی، همراه با انعطاف پذیری ذاتی در شبکه های بیوشیمیایی، منجر به بسیاری از پدیده ها می شود که می توان در این سیستم ها مشاهده کرد. مثال‌ها عبارتند از یک ساعت مولکولی نوظهور که می‌تواند برخی از ویژگی‌های سیستم‌های شبانه‌روزی را بازتولید کند، رشد و انقباض دینامیکی میکروتوبول‌ها (پروتئین‌های اسکلت سلولی) و همگام‌سازی خود به خود بین دو یا چند سیستم که توسط یک منبع مشترک به هم مرتبط هستند. رامین گلستانیان، یکی از نویسندگان این مطالعه و مدیر گروه فیزیک مواد زنده در MPI-DS، نسبت به آینده خوشبین است: “مطالعه ما برای اولین بار حداقل سیستم های بیوشیمیایی را پیشنهاد می کند که در آن جریان های انتهایی محافظت شده از نظر توپولوژیکی می توانند با توجه به بسیاری از شبکه‌های بیوشیمیایی که در زیست‌شناسی وجود دارد، ما معتقدیم که زمان زیادی است که بتوانیم نمونه‌هایی را پیدا کنیم که در آن حفاظت توپولوژیکی به‌طور حساس عملیات در چنین سیستم‌هایی را کنترل می‌کند.

###