Topología en biología

• Fecha : 23 de julio de 2021
• Fuente : Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización
• Resumen : Un fenómeno conocido de los sistemas cuánticos ahora podría abrirse camino en la biología: los investigadores muestran que la noción de protección topológica también se puede aplicar a las redes bioquímicas. El modelo que desarrollaron los científicos crea la caja de herramientas topológicas, que normalmente se usa solo para describir sistemas cuánticos,ahora también disponible para biología.

¿Cuándo podemos decir que una determinada propiedad de un sistema es robusta? Intuitivamente, la robustez implica que, incluso bajo el efecto de perturbaciones externas en el sistema, no importa cuán fuerte o aleatoria sea, dicha propiedad permanece inalterada. En matemáticas, las propiedades deUn objeto que es resistente a las deformaciones se llama topológico. Por ejemplo, las letras s, S y L se pueden transformar entre sí estirando o doblando su forma. Lo mismo ocurre con las letras o, O y D. Sin embargo,es imposible convertir una S en una O sin una operación discontinua, como cortar la O o pegar los dos extremos de la S. Por lo tanto, decimos que las letras s, S y L tienen la misma topología, ya que¿las letras o, O y D, mientras que los dos grupos de letras tienen topologías diferentes. Pero, ¿cómo se relaciona la topología con la biología?

"Durante las últimas décadas, los físicos han descubierto que ciertas propiedades de los sistemas cuánticos dependen solo de la topología de alguna característica subyacente del sistema, como la fase de su función de onda o su espectro de energía", explica Evelyn Tang, coprimeraautor del estudio. "Queríamos saber si este modelo también se puede aplicar a sistemas bioquímicos para describir y comprender mejor los procesos fuera de equilibrio". Como la topología es insensible a las perturbaciones continuas, como el estiramiento o flexión de letras en el ejemploarriba - las propiedades vinculadas a la topología son extremadamente robustas. Se mantendrán sin cambios a menos que ocurra un cambio cualitativo en el sistema, como cortar o pegar las letras de arriba. Los científicos Evelyn Tang, Jaime Agudo-Canalejo y Ramin Golestanian ahora demostraron queel mismo concepto de protección topológica se puede encontrar en los sistemas bioquímicos, lo que asegura la robustez de los correspondientes procesos bioquímicos.

fluyendo a lo largo de los bordes

Una de las observaciones más famosas con respecto a la topología en sistemas cuánticos es el efecto Hall cuántico: este fenómeno ocurre cuando un material conductor bidimensional se somete a un campo magnético perpendicular. En tal escenario, los electrones en el material comienzan a moverseen pequeños círculos conocidos como órbitas de ciclotrón, que en general no conducen a ninguna corriente neta en la mayor parte del material. Sin embargo, en los bordes del material, los electrones rebotan antes de completar una órbita y se mueven efectivamente en la dirección opuesta, lo que resultaen un flujo neto de electrones a lo largo de estos bordes. Es importante destacar que este flujo de borde ocurrirá independientemente de la forma de los bordes y persistirá incluso si los bordes están fuertemente deformados, resaltando la naturaleza topológica y, por lo tanto, robusta del efecto.

Los investigadores notaron un paralelo entre tales órbitas de ciclotrón en el efecto Hall cuántico y una observación en sistemas bioquímicos denominados "ciclos inútiles": ciclos de reacción dirigidos que consumen energía pero son inútiles, al menos a primera vista. Por ejemplo, un químico Apuede convertirse en B, que se convierte en C, que posteriormente se convierte de nuevo en A. Esto planteó la pregunta: ¿es posible que, como para las órbitas de ciclotrón en el efecto Hall cuántico, los ciclos inútiles pueden causar corrientes de borde que resultan en una redfluir en una red de reacción bioquímica bidimensional?

Los autores modelaron así los procesos bioquímicos que ocurren en un espacio bidimensional. Un ejemplo simple es la dinámica de ensamblaje de un biopolímero que se compone de dos subunidades diferentes X e Y: un ciclo inútil en el sentido de las agujas del reloj correspondería entonces a la adición de una subunidad Y, agregar una subunidad X, eliminar una subunidad Y y eliminar una subunidad X, lo que devolvería el sistema al estado inicial. Ahora, ese espacio bidimensional también tendrá "bordes", que representan restricciones en la disponibilidad de subunidades.Como se anticipó, los investigadores encontraron que las corrientes en sentido contrario a las agujas del reloj a lo largo de estos bordes de hecho surgirían espontáneamente. Jaime Agudo-Canalejo, co-primer autor del estudio, explica: "En este contexto bioquímico, las corrientes de borde corresponden a oscilaciones cíclicas a gran escala en elEn el ejemplo de un biopolímero, darían como resultado un ciclo en el que primero se añaden al polímero todas las subunidades X del sistema, seguidas de todas las subunidades Y, luego primero todas las X y finalmente todas las subunidades Ylas liendres se eliminan nuevamente, por lo que el ciclo se completa ".

El poder de la topología

Como en el sistema de Hall cuántico, estas corrientes de borde bioquímicas parecen robustas a los cambios en la forma de los límites del sistema o al desorden en la mayor parte del sistema. Por lo tanto, los investigadores tenían como objetivo investigar si la topología realmente se encuentra en el corazón de esta robustezSin embargo, las herramientas utilizadas en los sistemas cuánticos no son directamente aplicables a los sistemas bioquímicos, que subyacen a las leyes estocásticas clásicas. Con este fin, los investigadores diseñaron un mapeo entre su sistema bioquímico y una clase exótica de sistemas conocidos como sistemas cuánticos no hermitianos.. Evelyn Tang, quien tiene experiencia en materia cuántica topológica, recuerda: "Una vez que se estableció este mapeo, toda la caja de herramientas de los sistemas cuánticos topológicos estuvo disponible para nosotros. Entonces pudimos demostrar que, de hecho, las corrientes de borde son robustas gracias a la protección topológicaAdemás, encontramos que la aparición de corrientes de borde está indisolublemente ligada a la naturaleza fuera de equilibrio de los ciclos inútiles, que son impulsados ​​por la energía.y consumo. "

Un nuevo reino de posibilidades

La robustez que surge de la protección topológica, junto con la versatilidad inherentemente presente en las redes bioquímicas, da como resultado una multitud de fenómenos que se pueden observar en estos sistemas. Los ejemplos incluyen un reloj molecular emergente que puede reproducir algunas características de los sistemas circadianos, crecimiento dinámicoy la contracción de los microtúbulos proteínas del esqueleto celular y la sincronización espontánea entre dos o más sistemas que se acoplan a través de un conjunto compartido de recursos. Ramin Golestanian, coautor del estudio y director del Departamento de Física de la Materia Viva en MPI-DS, se muestra optimista de cara al futuro: "Nuestro estudio propone, por primera vez, sistemas bioquímicos mínimos en los que pueden surgir corrientes de borde protegidas topológicamente. Dada la riqueza de redes bioquímicas que existe en biología, creemos que es sólo una cuestión detiempo hasta que se encuentren ejemplos en los que la protección topológica controle sensiblemente las operaciones en dichos sistemas ".

Fuente de la historia :

Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.

Referencia de la revista :

1. Evelyn Tang, Jaime Agudo-Canalejo, Ramin Golestanian. La topología protege las corrientes de borde quiral en sistemas estocásticos . Revisión física X , 2021; 11 3 DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.031015