Tendiamo a separare il cervello dai muscoli:il cervello pensa; il muscolo fa il lavoro. Il cervello acquisisce informazioni complesse sul mondo e prende decisioni, mentre i muscoli si limitano a eseguire. Ciò ha anche modellato il modo in cui pensiamo a una singola cellula; alcune molecole all'interno delle cellule sono viste come "pensatori" che raccolgono informazioni sull'ambiente chimico e decidono cosa deve fare la cellula per sopravvivere; separatamente, altre molecole sono viste come i "muscoli", che costruiscono le strutture necessarie per la sopravvivenza.
Ma un nuovo studio mostra come le molecole che costruiscono le strutture, cioè i muscoli, possano esse stesse sia pensare che agire. Lo studio, condotto da scienziati dell'Università di Chicago, del California Institute of Technology e della Maynooth University, è stato pubblicato su Nature e potrebbe suggerire strade per nuovi modi di pensare al calcolo utilizzando i principi della fisica.
"Abbiamo dimostrato che un processo molecolare naturale, la nucleazione, che è stato studiato come un 'muscolo' per molto tempo, può eseguire calcoli complessi che competono con una semplice rete neurale", ha affermato l'Università di Chicago. Prof. Arvind Murugan, uno dei due coautori senior dell'articolo. "È un'abilità nascosta in bella vista:le molecole che "fanno" possono anche "pensare". L'evoluzione può sfruttare questo fatto nelle cellule per fare di più con meno parti, con meno energia e maggiore robustezza."
Per sopravvivere, le cellule devono riconoscere l’ambiente in cui si trovano e rispondere di conseguenza. Ad esempio, alcune combinazioni di molecole potrebbero indicare un periodo di stress che richiede di accovacciarsi, mentre altre combinazioni di molecole potrebbero indicare un periodo di abbondanza. Tuttavia, la differenza tra questi segnali molecolari può essere sottile:ambienti diversi potrebbero coinvolgere le stesse molecole ma in proporzioni diverse.
Constantine Evans, l'autore principale dello studio, ha spiegato che è un po' come entrare in una casa e sentire l'odore dei biscotti appena sfornati invece dell'odore della gomma bruciata. "Il tuo cervello modificherebbe il tuo comportamento a seconda della percezione di diverse combinazioni di sostanze chimiche odorose", ha detto. "Abbiamo deciso di chiederci se solo la fisica di un sistema molecolare può fare lo stesso, pur non avendo un cervello di alcun tipo."
La visione tradizionale è che le cellule potrebbero essere in grado di percepire e rispondere in questo modo utilizzando circuiti molecolari che concettualmente assomigliano ai circuiti elettronici del nostro laptop; alcune molecole rilevano la quantità di sale e acido nell'ambiente, altre molecole prendono una decisione su cosa fare e infine le molecole "muscolari" potrebbero eseguire un'azione in risposta, come costruire una struttura protettiva interna o una pompa per rimuovere le molecole indesiderate. .
Murugan e i suoi colleghi volevano esplorare un'idea alternativa:che tutti questi compiti (rilevamento, processo decisionale, risposta) possano essere svolti in un unico passaggio dalla fisica inerente alle molecole "muscolari" che costruiscono una struttura.
Lo hanno fatto lavorando con il principio delle “transizioni di fase”. Pensa a un bicchiere d'acqua che si congela quando raggiunge i 32F; prima, un piccolo frammento di ghiaccio "nuclea" e poi cresce finché l'intero bicchiere d'acqua non viene congelato.
A prima vista, questi passaggi iniziali nell'atto del congelamento – chiamati “nucleazione” in fisica – non assomigliano al “pensiero”. Ma il nuovo studio mostra che l'atto del congelamento può "riconoscere" combinazioni chimiche sottilmente diverse, ad esempio l'odore dei biscotti di farina d'avena e uvetta rispetto a quello delle gocce di cioccolato, e costruire diverse strutture molecolari in risposta.
Gli scienziati hanno testato la robustezza del processo decisionale basato sulle "transizioni di fase" utilizzando la nanotecnologia del DNA, un campo di cui Erik Winfree (BS'91) ha contribuito a diventare pioniere. Hanno dimostrato che una miscela di molecole forma una delle tre strutture a seconda delle concentrazioni di molecole presenti nel bicchiere.
"In ogni caso, le molecole si sono unite per costruire diverse strutture su scala nanometrica in risposta a diversi modelli chimici, tranne per il fatto che l'atto di costruire la struttura di per sé ha portato alla decisione su cosa costruire", ha detto Winfree.
L'esperimento ha rivelato che questo processo decisionale basato sui “muscoli” era sorprendentemente robusto e scalabile. Con esperimenti relativamente semplici, i ricercatori sono riusciti a risolvere problemi di riconoscimento di modelli che coinvolgono circa un migliaio di tipi di molecole:un problema quasi 10 volte più grande di quello che era stato fatto in precedenza utilizzando altri approcci che separavano le componenti "cervello" e "muscolo".
Il lavoro punta a una nuova visione del calcolo che non implica la progettazione di circuiti, ma piuttosto la progettazione di quello che i fisici chiamano diagramma di fase. Ad esempio, per l'acqua, un diagramma di fase potrebbe descrivere le condizioni di temperatura e pressione in cui l'acqua liquida si congela o bolle, che sono proprietà materiali simili a quelle "muscolari". Ma questo lavoro mostra che il diagramma di fase può anche codificare il "pensiero" oltre al "fare", se adattato a sistemi complessi con molti tipi diversi di componenti.
"I fisici hanno tradizionalmente studiato cose come un bicchiere d'acqua, che ha molte molecole, ma tutte sono identiche. Ma una cellula vivente è piena di molti diversi tipi di molecole che interagiscono tra loro in modi complessi", ha detto il coautore. Jackson O'Brien (Ph.D.'21), che è stato coinvolto nello studio come studente laureato in fisica alla UChicago. "Ciò si traduce in capacità emergenti distinte dei sistemi multicomponente."
La teoria contenuta in questo lavoro ha tracciato analogie matematiche tra tali sistemi multicomponente e la teoria delle reti neurali; gli esperimenti hanno evidenziato come questi sistemi multicomponente possano apprendere le giuste proprietà computazionali attraverso un processo fisico, proprio come il cervello impara ad associare odori diversi ad azioni diverse.
Sebbene gli esperimenti qui abbiano coinvolto molecole di DNA in una provetta, i concetti sottostanti - nucleazione in sistemi con molti tipi di componenti - si applicano ampiamente a molti altri sistemi molecolari e fisici, hanno affermato gli autori.
"Il DNA ci permette di studiare sperimentalmente miscele complesse di migliaia di tipi di molecole e di comprendere sistematicamente l'impatto di quanti tipi di molecole esistono e il tipo di interazioni che hanno, ma la teoria è generale e dovrebbe applicarsi a qualsiasi tipo di molecola, " ha spiegato Winfree.
"Ci auguriamo che questo lavoro stimoli il lavoro per scoprire capacità nascoste di 'pensiero' in altri sistemi multicomponente che attualmente sembrano essere semplicemente 'muscoli'", ha affermato Murugan.
Ulteriori informazioni: Constantine Glen Evans et al, Riconoscimento di pattern nella cinetica di nucleazione dell'autoassemblaggio di non equilibrio, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06890-z
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Chicago
