خودروها سیستمی به نام کروز کنترل (نوعی کنترل کننده سرعت خودکار) دارند. جت ها به سیستم خلبان خودکار مجهز هستند. کارخانه ها کنترل فرآیند صنعتی دارند و امروزه با تشکر از بیولوژی سنتزی، سلولها کنترل بازخورد انتگرالی (تغییر پذیر در یک بازه خاص) که توسط انسان مهندسی شده دارند. در یک مطالعه اثبات مفهوم، باکتری اشریشیا کلی به یک کنترلگر به صورت شبکه تنظیمی سایبرژنتیکی که مجموعهای از عناصر بیولوژی موثر بر روی هم است، مجهز گردید.
این عناصر کاری را برای باکتری انجام میدهند که چرخه های بازخوردی انتگرالی در گیاهان صنعتی برای سالهای طولانی انجام داده اند و به دلیل اینکه سلول باکتریایی و دیگر انواع سلولها به عنوان کارخانه های شیمیایی کوچک در بیوتکنولوژی هستند، در آنها مورد استفاده قرار میگیرند.
همانطورکه چرخه های بازخوردی انتگرالی، بهره وری بهینه در سطح کارخانه را تقویت می کنند، این چرخه ها همچنین میتوانند تضمین کنند که سلول های تولید کننده، میزان مطلوبی از محصولات (مانند ویتامینها، داروها، مواد شیمیایی و سوخت های زیستی) را با سرعت بالا و پایدار تولید کنند. چرخه های بازخوردی انتگرالی در سلولهای طراح می توانند سطح بهینه مواد شیمیایی را در بدن بیمار حفظ و به رفع شرایطی مانند دیابت یا کمبود تیروئید کمک کنند. درنهایت، آنها می توانند باعث بهبود درمان سرطان با روش ایمنی-درمانی شوند که تضمین میکند سلول های ایمنی برای مبارزه با تومور فعال هستند، اما به حدی مهار می شوند که از حمله به بافت سالم جلوگیری کند.
ایده اصلی، معرفی مکانیسمی است که بتواند فعالیت سلولی را به خوبی تنظیم کند و از این طریق به اهداف مفیدی برسد، تا جایی که برای دانشمندان مهندسی زیستی و ترجمه زیستی مفید باشند.
چرخه های بازخوردی انتگرالی، که به صورت طبیعی تکامل پیدا کرده اند، به صورت مداوم در سلول ها فعال هستند. به عنوان مثال، چرخه های بازخوردی انتگرالی، غلظتهای ثابت مواد در خون را حفظ میکند.
وجود چرخه های بازخوردی انتگرالی طبیعی، سالها پیش توسط دانشمندان ETH زوریخ پایه گذاری شد. طبق گفته مصطفی خاماش، پروفسور در ETH زوریخ، دانشکده علوم و مهندسی: چرخه های بازخوردی انتگرالی در برابر اختلالات غیر منتظره محیطی بسیار مقاوم هستند. وی ادامه داد این دلیل توضیح میدهد که چرا اصل بازخوردی انتگرالی، در تکنولوژی حضور دارد و در تکامل غالب بوده است.
خاماش و همکارانش از آنچه از طبیعت آموختند، برای مهندسی ژنتیکی یک کنترل کننده سنتزی استفاده کردند. در یک مقاله با نام «کنترل کننده بازخوردی انتگرالی بیومولکولی جهانی برای سازگاری قدرتمند و کامل» که در ۱۹ ژوئن در مجله Nature به چاپ رسید، دانشمندان گزارش دادند که کنترل کننده خود را در سلول های زنده نصب کرده اند. آنها تاكید كردند كه این كنترل کننده قابل تنظیم و سازگار است.
نویسندگان مقاله نوشتند که: “کنترل کننده انتگرالی طراحی شده نشان دهنده یک طراحی بر پایه اثبات یک مفهوم است که امکان هموستازی قدرتمند را در بیولوژی سنتزی ایجاد می کند. در اصل این کنترل کننده یک نسخه بهینه شده با دامنه فعالیت گسترده برای کاربرد در تمام زمینه هایی که بیان پروتئین باید به طور مستقل از سایر فرآیندها در سطح مورد نظر تنظیم شود، است.”
نویسندگان مقاله خاطر نشان كردند كه: “ایجاد یک بازخورد انتگرالی در سلولهای زنده به دلیل پیچیدگی محاسبات بیولوژیك موردنیاز، سخت است.”
با این وجود، نویسندگان، اثبات ریاضی مبنی بر وجود «توپولوژی یک کنترل کننده بیومولکولی اصلی که باعث ایجاد بازخورد انتگرالی سازگاری شده است» را انجام دادند.
خاماش و تیمش که از رشتههای مختلف علوم، مانند نظریه پردازان کنترل، ریاضیدانان و زیست شناسان تجربی بودند، توضیح دادند که مکانیسم بازخورد آنها به دو مولکول A و B متکی است که با یکدیگر باند شده‌اند تا غیرفعال شوند. این دو مولکول در کنار هم می توانند یک غلظت ثابت از یک مولکول سوم C را حفظ کنند. این سیستم به گونه ای طراحی شده است که مولکول B باعث تولید C می شود، در حالی که میزان تولید A به غلظت C بستگی دارد. چرخه بازخوردی اینگونه توضیح میدهد که وقتی C فراوان باشد، A بیشتر تولید میشود که B را غیرفعال میکند و این به نوبه خود باعث کاهش تولید C میشود.
دانشمندان ETH از مکانیسم خود برای کنترل تولید پروتئین سبز فلورسنت استفاده کردند. با بهره گیری از کنترل کننده بازخوردی، باکتری مقدار زیادی از پروتئین فلورسنت تولید کرد، حتی در زمانی‌که طی آزمایش میخواستند با استفاده از مهار کننده قوی، تولید آن را سرکوب کنند. در آزمایش دوم، محققان با هدف آزمایش مکانیسم بازخورد، موفق به تولید یک جمعیت باکتریایی شدند که به رغم تلاش آنها برای مختل کردن رشد، باکتری با سرعت ثابت رشد کرد.
این خاصیت سازگاری برای میانگین جمعیت و میانگین زمانی برای هر سلول تضمین شده است. نتایج بدست آمده ابزارهای مفهومی و عملی را در زمینه سایبرژنتیک برای کنترل کنندههای مصنوعی مهندسی فراهم میآورد که پویایی سیستم های زنده را هدایت میکند.
خاماش و همکارانش موفق شدند یک کنترل کننده انتگرالی را از پایه بسازند و آن را درون سلول زنده ای که از قبل روی هموستازی کلسیم آن کار کرده بودند، آزمایش کنند. به گفته خامش، مطالعه چگونگی تنظیم غلظت کلسیم در خون، روش خوبی برای یادگیری نحوه عملکرد کنترل کننده های انتگرالی در زیست شناسی است.
غلظت کلسیم به میزان ۹۵ میلی‌گرم در هر لیتر خون، صرف نظر از میزان مصرف کلسیم با منشا مواد غذایی، تنظیم می شود. این مقدار حتی در هنگام شیردهی ثابت مانده است که مقدار زیادی کلسیم از خون به منظور تولید شیر خارج می شود. خاماش گفت: “یک سطح ثابت کلسیم برای عملکرد مناسب بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی، از جمله عملکرد عضلات و عصب یا لخته شدن خون ضروری است.”
هورمون PTH به عنوان یکی از دو عامل بازخوردی در بدن در این زمینه کار می کند: PTH باعث تقویت کلسیم از بافت استخوانی به جریان خون وارد می شود. هرچه غلظت کلسیم در خون پایینتر باشد، PTH بیشتری توسط غدد پاراتیروئید تولید میشود. خاماش خاطر نشان کرد: “این قسمتی از پاسخ بدن در شرایط سطح کلسیم پایین می باشد.”
وی افزود: “برای اینکه غلظت کلسیم به طور کامل پس از یک افت ناگهانی به حالت عادی برگردد، یک مکانیسم دوم مورد نیاز است. این نقش به فرم فعال بیولوژیکی ویتامین D3 می رسد، که باعث جذب کلسیم در جریان خون از غذاهای هضم شده در روده کوچک میشود. با این حال، تولید شکل فعال ویتامین D3 در کلیهها به غلظت PTH بستگی دارد.”
این دو هورمون در کنار هم وظیفه دارند زمانی‌که غلظت کلسیم خون در طول زمان کم میشود را تا حد ممکن به ثبات برسانند؛ که به عبارت دیگر، ریاضیدانان به آن انحراف انتگرالی نسبت به زمان می گویند. بنابراین، این مکانیسم کنترل به عنوان انتگرال نامیده می شود.
