Tendemos a separar el cerebro y el músculo:el cerebro piensa; el músculo hace la acción. El cerebro asimila información compleja sobre el mundo y toma decisiones, mientras que el músculo simplemente ejecuta. Esto también ha dado forma a nuestra forma de pensar acerca de una sola célula; algunas moléculas dentro de las células se consideran "pensadoras" que captan información sobre el entorno químico y deciden qué debe hacer la célula para sobrevivir; por separado, otras moléculas se consideran el "músculo", que construye las estructuras necesarias para la supervivencia.
Pero un nuevo estudio muestra cómo las moléculas que construyen las estructuras, es decir, el músculo, pueden por sí mismas pensar y hacer. El estudio, realizado por científicos de la Universidad de Chicago, el Instituto de Tecnología de California y la Universidad de Maynooth, fue publicado en Nature. y puede sugerir vías para nuevas formas de pensar sobre la computación utilizando los principios de la física.
"Demostramos que un proceso molecular natural (la nucleación) que se ha estudiado como un 'músculo' durante mucho tiempo puede realizar cálculos complejos que rivalizan con una red neuronal simple", dijo UChicago Assoc. Prof. Arvind Murugan, uno de los dos coautores principales del artículo. "Es una capacidad oculta a plena vista:las moléculas que 'hacen' también pueden 'pensar'. La evolución puede aprovechar este hecho en las células para hacer más cosas con menos piezas, con menos energía y mayor robustez".
Para sobrevivir, las células necesitan reconocer el entorno en el que se encuentran y responder en consecuencia. Por ejemplo, algunas combinaciones de moléculas podrían indicar un momento de estrés que requiera refugiarse, mientras que otras combinaciones de moléculas podrían indicar un momento de abundancia. Sin embargo, la diferencia entre estas señales moleculares puede ser sutil:diferentes entornos pueden involucrar las mismas moléculas pero en diferentes proporciones.
Constantine Evans, el autor principal del estudio, explicó que es un poco como entrar a una casa y oler galletas recién horneadas en lugar de oler goma quemada. "Su cerebro alteraría su comportamiento dependiendo de que usted sienta diferentes combinaciones de sustancias químicas olorosas", dijo. "Nos propusimos preguntar si la física de un sistema molecular puede hacer lo mismo, a pesar de no tener ningún tipo de cerebro."
La visión tradicional ha sido que las células podrían sentir y responder de esta manera utilizando circuitos moleculares que conceptualmente se parecen a los circuitos electrónicos de su computadora portátil; algunas moléculas detectan la cantidad de sal y ácido en el medio ambiente, otras moléculas toman una decisión sobre qué hacer y, finalmente, las moléculas "musculares" pueden llevar a cabo una acción en respuesta, como construir una estructura protectora interna o una bomba para eliminar moléculas no deseadas. .
Murugan y sus colegas querían explorar una idea alternativa:que todas estas tareas (detección, toma de decisiones, respuesta) pueden realizarse en un solo paso mediante la física inherente a las moléculas "musculares" que construyen una estructura.
Lo hicieron trabajando con el principio de "transiciones de fase". Piense en un vaso de agua que se congela cuando alcanza los 32 ° F; Primero, un pequeño fragmento de hielo se 'nuclea' y luego crece hasta congelar todo el vaso de agua.
A primera vista, estos pasos iniciales en el acto de congelación (llamado "nucleación" en física) no se parecen al "pensamiento". Pero el nuevo estudio muestra que el acto de congelar puede "reconocer" combinaciones químicas sutilmente diferentes (por ejemplo, el olor de las galletas de avena con pasas versus el de chispas de chocolate) y construir diferentes estructuras moleculares en respuesta.
Los científicos probaron la solidez de la toma de decisiones basada en "transiciones de fase" utilizando nanotecnología de ADN, un campo en el que Erik Winfree (BS'91) ayudó a ser pionero. Demostraron que una mezcla de moléculas formaría una de tres estructuras dependiendo de las concentraciones de moléculas presentes en el vaso.
"En cada caso, las moléculas se unieron para construir diferentes estructuras a escala nanométrica en respuesta a diferentes patrones químicos, excepto que el acto de construir la estructura en sí mismo tomó la decisión sobre qué construir", dijo Winfree.
El experimento reveló que esta toma de decisiones basada en "músculos" era sorprendentemente sólida y escalable. Con experimentos relativamente simples, los investigadores pudieron resolver problemas de reconocimiento de patrones que involucraban alrededor de mil tipos de moléculas, un problema casi 10 veces mayor que el que se había resuelto anteriormente utilizando otros enfoques que separaban los componentes "cerebro" y "músculo".
El trabajo apunta a una nueva visión de la computación que no implica diseñar circuitos, sino más bien diseñar lo que los físicos llaman un diagrama de fases. Por ejemplo, para el agua, un diagrama de fases podría describir las condiciones de temperatura y presión en las que el agua líquida se congelará o hervirá, que son propiedades materiales similares a las de los "músculos". Pero este trabajo muestra que el diagrama de fases también puede codificar "pensar" además de "hacer", cuando se amplía a sistemas complejos con muchos tipos diferentes de componentes.
"Los físicos tradicionalmente han estudiado cosas como un vaso de agua, que tiene muchas moléculas, pero todas son idénticas. Pero una célula viva está llena de muchos tipos diferentes de moléculas que interactúan entre sí de maneras complejas", dijo el coautor Jackson O'Brien (Ph.D.'21), quien participó en el estudio como estudiante de posgrado en física de la Universidad de Chicago. "Esto da como resultado distintas capacidades emergentes de los sistemas multicomponente".
La teoría de este trabajo trazó analogías matemáticas entre estos sistemas de componentes múltiples y la teoría de las redes neuronales; Los experimentos señalaron cómo estos sistemas de múltiples componentes pueden aprender las propiedades computacionales correctas a través de un proceso físico, de manera muy similar a como el cerebro aprende a asociar diferentes olores con diferentes acciones.
Si bien los experimentos aquí involucraron moléculas de ADN en un tubo de ensayo, los conceptos subyacentes (nucleación en sistemas con muchos tipos de componentes) se aplican ampliamente a muchos otros sistemas moleculares y físicos, dijeron los autores.
"El ADN nos permite estudiar experimentalmente mezclas complejas de miles de tipos de moléculas y comprender sistemáticamente el impacto de cuántos tipos de moléculas existen y los tipos de interacciones que tienen, pero la teoría es general y debería aplicarse a cualquier tipo de molécula. " explicó Winfree.
"Esperamos que este trabajo estimule el trabajo para descubrir capacidades de 'pensamiento' ocultas en otros sistemas de componentes múltiples que actualmente parecen ser simplemente 'músculos'", dijo Murugan.
Más información: Constantine Glen Evans et al, Reconocimiento de patrones en la cinética de nucleación del autoensamblaje en desequilibrio, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06890-z
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Chicago
