Muchos sistemas complejos en biología pueden conceptualizarse como redes. Esta perspectiva ayuda a los investigadores a comprender cómo funcionan los sistemas biológicos en un nivel fundamental, y se puede utilizar para responder preguntas clave en biología, medicamento, e ingeniería.

El flujo sanguíneo en el cerebro es un buen ejemplo. La sangre viaja a través de una red de vasos y puede redirigirse a partes específicas del cerebro según sea necesario. Caminando, por ejemplo, requeriría un flujo sanguíneo en regiones diferentes a las de la goma de mascar.

Se cree que las redes realizan tales tareas controlando las conexiones dentro de la red, llamados "bordes". Lo que los físicos no habían explorado es cuántas tareas puede realizar una sola red simultáneamente.

Un equipo de investigadores del Departamento de Física y Astronomía publicó un estudio en PNAS que aborda esta cuestión. El estudiante de posgrado Jason W. Rocks y el ex postdoctorado Henrik Ronellenfitsch, que está ahora en el MIT, fueron los autores principales de este artículo, y trabajó junto a los físicos Andrea Liu y Eleni Katifori, así como Sidney R. Nagel de la Universidad de Chicago.

El equipo de Penn había estudiado previamente dos tipos de redes. Katifori ha examinado cómo la naturaleza construye y mantiene "redes de flujo, "como el flujo sanguíneo, utilizando enfoques inspirados y relacionados con la biología. Liu estudia "redes mecánicas, "como la disposición de los aminoácidos que forman una proteína, y cómo se pueden cambiar estas redes para realizar una función biológica específica.

Si bien estos dos sistemas difieren entre sí, Las discusiones entre los grupos de Liu y Katifori sobre cuánta multitarea podía lograr cada red ayudaron a Liu y Katifori a darse cuenta de que podían estudiar juntas estas dos redes aparentemente no relacionadas.

"Ambos estudiábamos de forma independiente la complejidad de una función particular que podía hacer una red de flujo y lo que podía hacer una red mecánica, ", dice Katifori." Eran dos redes físicas completamente diferentes, pero en cierto modo la misma pregunta ".

Los autores desarrollaron un conjunto de ecuaciones que describen cada sistema. Luego utilizaron simulaciones para controlar o "sintonizar" la red para que pudieran realizar funciones cada vez más complejas. Rocas Ronellenfitsch, y sus colegas descubrieron que ambos tipos de redes tenían éxito en la multitarea.

Se sorprendieron por las similitudes en el rendimiento entre estas dos redes aparentemente distintas. Si bien la física subyacente a los dos sistemas es completamente diferente, se desempeñaron de manera similar en términos de capacidad de multitarea y controlabilidad. "Cuantitativamente, eran casi idénticos, "dice Liu.

Estos resultados servirán como base para una serie de estudios futuros que profundizarán en cómo la capacidad para realizar tareas se codifica en las redes. Para redes mecánicas como enzimas, este conocimiento podría mejorar la capacidad de los investigadores biomédicos para diseñar fármacos y tratamientos dirigidos.

Como primer paso, Rocks está trabajando para comprender mejor cómo funcionan realmente las redes. "Hasta ahora lo hemos tratado como una caja negra, ", dice." Pero no queremos hacer eso. Queremos comprender cómo una red realiza una función específica. Queremos comprender qué aspectos de la estructura de la red son importantes ".

Liu y Katifori están entusiasmados con su colaboración y los resultados que esperan encontrar en un futuro próximo. "Si me hubieras preguntado antes de que hiciéramos este proyecto si íbamos a tener la misma respuesta para las dos redes, Yo diría '¿por qué?' ", Dice Katifori." Pero cuando lo piensas, y cuando lo entiendas te das cuenta de la elegancia de este estudio y por qué estas dos redes deben ser iguales ".