أنظمة معقدة ومبادئ بسيطة وجرأة الفيزيائي
قبل 20 عامًا، بدأ عالم الفيزياء البروفيسور عوديد فارغو، رئيس قسم الهندسة الطبية الحيوية في جامعة بن غوريون في النقب، العمل في مجال الفيزياء الحيوية. منذ ذلك الحين وهو يتعامل مع "خط التماس" بين الفيزياء والبيولوجيا. يسمح له هذا الوضع الفريد بمراقبة القضايا البيولوجية "من الجانب"، ودمج الأدوات الفيزيائية في دراسة الأغشية البيولوجية من خلال المحاكاة الحاسوبية.
الحياة ليست اكس بوكس
يقول البروفيسور فارجو: "لقد أصبحت عمليات المحاكاة الحاسوبية في العشرين عامًا الماضية أداة ذات أهمية هائلة". "هذا صحيح بشكل خاص في الأنظمة المعقدة للغاية، مثل الأنظمة البيولوجية. يركز بحثنا على الأغشية، "الأغلفة" التي تحيط بالخلية بأكملها ومناطق معينة بداخلها. مثل هذا الغشاء عبارة عن غلاف مصنوع من طبقة دهنية تشبه فقاعات الصابون. لكن بالمقارنة مع فقاعات الصابون العائمة في الهواء، فإن الأغشية البيولوجية محاطة بمحلول مائي؛ وبالمقارنة مع فقاعة الصابون، التي تركيبها الكيميائي بسيط للغاية، فإن الغشاء البيولوجي يحتوي على عدد كبير من المكونات المختلفة. ومن المستحيل وصف مثل هذا النظام المعقد بالمعادلات الرياضية، ولا بالمحاكاة الحاسوبية".
تعد المحاكاة الحاسوبية للأغشية البيولوجية، وغيرها من الأنظمة البيولوجية المعقدة، مهمة مستحيلة لسببين. أولاً، ما زلنا لا نعرف ما يكفي عن مكونات النظام والقوى المؤثرة بينها؛ وثانيًا، يتطلب هذا قوة حاسوبية أكبر بكثير مما لدينا تحت تصرفنا. يقول البروفيسور فارجو: "إن فكرة أننا نستطيع كتابة برنامج مثل Xbox يحاكي بشكل صحيح ديناميكيات الخلية هي فكرة ساذجة". "إن تعقيد الأنظمة مثل الخلايا البيولوجية أكبر بعدة مراتب من حيث الحجم."
إذا كان من المستحيل إنشاء محاكاة حاسوبية تصف بأمانة هذا النظام المعقد، فربما يكون من الممكن إنشاء محاكاة تصفه بطريقة أقل دقة - أي بطريقة مبسطة للغاية. يقول البروفيسور فارجو مبتسمًا: "يتطلب الأمر "جرأة" عالم الفيزياء، لأخذ بروتين يتكون من مئات الذرات وتمثيله كوحدة واحدة، وبدلاً من جميع أنواع الدهون الموجودة فيه غشاء الخلية، يكتفي باثنين أو ثلاثة - وهو مستوى من التعقيد يمكن لأنظمة الكمبيوتر لدينا التعامل معه. إذا حاولنا تمثيل التعقيد الحقيقي للغشاء، فإن قوتنا الحاسوبية تكفي لتمثيل جزء صغير فقط، ولكن إذا قمنا بتبسيطه، فيمكننا تمثيل قطعة أكبر بكثير من الغشاء.
التبسيط، بطبيعة الحال، له ثمن: تعتمد نتائج المحاكاة على المعلومات التي يتم إدخالها فيها. عند استخدام نموذج مبسط للغاية، فإن الاستنتاجات التي يمكن استخلاصها منه تكون بالضرورة محدودة.
الكأس المقدسة للفيزيائيين
يجمع البحث الحالي للبروفيسور فارغو، والذي حصل على منحة من مؤسسة العلوم الوطنية، بين الأسئلة الفيزيائية الحيوية المثيرة للاهتمام والتطبيق الطبي. بمساعدة الطالب البحثي ناديف ظهران، اكتشف الباحث البروفيسور فريغو منطقة الاتصال بين خلية الدم البيضاء والبكتيريا التي تلتقطها وتلتصق بها. تسمى منطقة الاتصال هذه "المشبك المناعي". يحدث التصاق الخلايا بفضل المستقبلات الموجودة على سطح خلايا الدم البيضاء، والتي تتعرف على جزيئات معينة على سطح البكتيريا.
تنتمي هذه المستقبلات إلى عائلتين رئيسيتين: إحداهما تشكل روابط طويلة نسبيًا والأخرى تشكل روابط أقصر. في منطقة التلامس بين الخليتين تكون الروابط القصيرة في الوسط وتحيط بهما الروابط الطويلة. هناك عاملان مسؤولان عن هذا التنظيم: المحركات البروتينية التي تدفع الروابط القصيرة إلى المركز، وكذلك الهجرة التلقائية للروابط القصيرة إلى المنطقة الوسطى تحت تأثير القوى المرنة التي تتطور في الغشاء، مع خلق انفصال بينهما. والسندات الطويلة . ويظهر البحث أن العاملين بالإضافة إلى التأثير المتبادل بينهما يساهمان في تكوين النموذج النموذجي. وتبلغ مدة العملية حوالي 30 دقيقة، وهي فترة طويلة جدًا بحيث لا يمكن محاكاتها بالأدوات التقليدية. وفي هذه الدراسة تم عمل محاكاة مبسطة لها.
تتناول دراسة أخرى تنظيم الغشاء الذي يحتوي على مكونين: الدهون التي تحمل "شعيرات" بوليمرية ودهون "عارية". عندما تنتظم هذه المكونات في فقاعة غشائية، تكون الدهون "المشعرة" في الخارج وتكون الدهون "العارية" في الداخل. وهذا هو، يتم الحصول على غشاء غير متماثل. ما هي العوامل المسؤولة عن هذا التنظيم غير المتماثل؟ وهل يمكن لنموذج مبسط لهذا النظام أن يسفر عن نفس التنبؤات التي يقدمها النموذج على مستوى تفاصيل الذرات المفردة؟
يقول البروفيسور فارجو: "يسعى علماء الأحياء إلى وصف دقيق ومفصل للواقع، بينما يسعى الفيزيائيون إلى وصف الأنظمة القائمة على مبدأين أو ثلاثة مبادئ أساسية. إن الوصف المجرد قدر الإمكان، والبسيط، هو الكأس المقدسة للفيزيائيين. يشكك علماء الأحياء في هذا النهج. لكن في نظري هذه هدية يمكن للفيزياء أن تقدمها لعلم الأحياء."
الحياة نفسها:
كان البروفيسور فارجو مهتمًا بموسيقى الروك والموسيقى المستقلة منذ شبابه. لو لم يكن عالماً، لأراد أن يصبح محرراً موسيقياً في الراديو.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
