Molti sistemi complessi in biologia possono essere concettualizzati come reti. Questa prospettiva aiuta i ricercatori a capire come funzionano i sistemi biologici a un livello fondamentale, e può essere utilizzato per rispondere a domande chiave in biologia, medicinale, e ingegneria.

Il flusso sanguigno nel cervello è un ottimo esempio. Il sangue viaggia attraverso una rete di vasi e può essere reindirizzato a parti specifiche del cervello secondo necessità. A piedi, Per esempio, richiederebbe il flusso sanguigno in regioni diverse rispetto alla gomma da masticare.

Si pensa che le reti svolgano tali compiti controllando le connessioni all'interno della rete, chiamati "bordi". Ciò che i fisici non avevano esplorato è il numero di compiti che una singola rete può svolgere contemporaneamente.

Un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia ha pubblicato uno studio in PNAS che risponde a questa domanda. Il dottorando Jason W. Rocks e l'ex postdoc Henrik Ronellenfitsch, chi è ora al MIT, sono stati gli autori principali di questo articolo, e ha lavorato al fianco dei fisici Andrea Liu ed Eleni Katifori, così come Sidney R. Nagel dell'Università di Chicago.

Il team di Penn aveva precedentemente studiato due tipi di reti. Katifori ha esaminato come la natura costruisce e mantiene "reti di flusso, "come il flusso sanguigno, utilizzando approcci ispirati e correlati alla biologia. Liu studia "reti meccaniche, "come la disposizione degli amminoacidi che formano una proteina, e come queste reti possono essere modificate per svolgere una specifica funzione biologica.

Sebbene questi due sistemi differiscano l'uno dall'altro, le discussioni tra i gruppi Liu e Katifori su quanto multitasking potrebbe realizzare ciascuna rete hanno aiutato Liu e Katifori a rendersi conto che potevano studiare insieme queste due reti apparentemente non correlate.

"Stavamo entrambi studiando in modo indipendente la complessità di una particolare funzione che una rete di flusso potrebbe svolgere e cosa potrebbe fare una rete meccanica, " dice Katifori. "Erano due reti fisiche completamente diverse, ma in un certo senso la stessa domanda."

Gli autori hanno sviluppato una serie di equazioni che descrivevano ciascun sistema. Hanno quindi utilizzato simulazioni per controllare o "sintonizzare" la rete in modo da svolgere funzioni sempre più complesse. rocce, Ronellenfitsch, ei loro colleghi hanno scoperto che entrambi i tipi di reti hanno avuto successo nel multitasking.

Sono rimasti sorpresi dalle somiglianze nelle prestazioni tra queste due reti apparentemente distinte. Mentre la fisica alla base dei due sistemi è completamente diversa, si sono comportati in modo simile in termini di capacità multitasking e controllabilità. "Quantitativamente, erano quasi identici, "dice Liù.

Questi risultati serviranno come base per una serie di studi futuri che approfondiranno il modo in cui la capacità di eseguire attività è codificata nelle reti. Per le reti meccaniche come gli enzimi, questa conoscenza potrebbe migliorare la capacità dei ricercatori biomedici di progettare farmaci e trattamenti mirati.

Come primo passo, Rocks sta lavorando per capire meglio come funzionano effettivamente le reti. "Finora l'abbiamo trattata come una scatola nera, " dice. "Ma noi non vogliamo farlo. Vogliamo capire come una rete svolge una funzione specifica. Vogliamo capire quali aspetti della struttura della rete sono importanti".

Liu e Katifori sono entusiasti della loro collaborazione e dei risultati che sperano di trovare nel prossimo futuro. "Se mi avessi chiesto prima di realizzare questo progetto se avremmo avuto la stessa risposta per le due reti, Direi 'perché?'" dice Katifori. "Ma poi quando ci pensi, e quando lo capisci, ti rendi conto dell'eleganza di questo studio e del motivo per cui queste due reti dovrebbero essere uguali."