Muitos sistemas complexos em biologia podem ser conceituados como redes. Essa perspectiva ajuda os pesquisadores a entender como os sistemas biológicos funcionam em um nível fundamental, e pode ser usado para responder a perguntas-chave em biologia, Medicina, e engenharia.

O fluxo sanguíneo no cérebro é um excelente exemplo. O sangue viaja por uma rede de vasos e pode ser redirecionado para partes específicas do cérebro, conforme necessário. Andando, por exemplo, exigiria fluxo sanguíneo em regiões diferentes da goma de mascar.

Pensa-se que as redes realizam tais tarefas controlando as conexões dentro da rede, chamado de "bordas". O que os físicos não exploraram é quantas tarefas uma única rede pode realizar simultaneamente.

Uma equipe de pesquisadores do Departamento de Física e Astronomia publicou um estudo em PNAS que aborda esta questão. O estudante Jason W. Rocks e o ex-pós-doutor Henrik Ronellenfitsch, que está agora no MIT, foram os principais autores deste artigo, e trabalhou ao lado dos físicos Andrea Liu e Eleni Katifori, bem como Sidney R. Nagel da Universidade de Chicago.

A equipe da Penn já havia estudado dois tipos de redes. Katifori examinou como a natureza constrói e mantém "redes de fluxo, "como fluxo sanguíneo, usando abordagens inspiradas e relacionadas à biologia. Liu estuda "redes mecânicas, "como o arranjo de aminoácidos que formam uma proteína, e como essas redes podem ser alteradas para desempenhar uma função biológica específica.

Embora esses dois sistemas sejam diferentes um do outro, discussões entre os grupos Liu e Katifori sobre o quanto cada rede poderia realizar multitarefa ajudou Liu e Katifori a perceber que eles poderiam estudar essas duas redes aparentemente não relacionadas juntos.

"Estávamos ambos estudando independentemente a complexidade de uma função específica que uma rede de fluxo poderia fazer e o que uma rede mecânica poderia fazer, "diz Katifori." Eram duas redes físicas totalmente diferentes, mas de certa forma a mesma pergunta. "

Os autores desenvolveram um conjunto de equações que descrevem cada sistema. Em seguida, eles usaram simulações para controlar ou "ajustar" a rede para que executassem funções cada vez mais complexas. Rochas, Ronellenfitsch, e seus colegas descobriram que ambos os tipos de rede tiveram sucesso em multitarefa.

Eles ficaram surpresos com as semelhanças de desempenho entre essas duas redes aparentemente distintas. Embora a física subjacente aos dois sistemas seja totalmente diferente, eles tiveram um desempenho semelhante em termos de capacidade de multitarefa e controlabilidade. "Quantitativamente, eles eram quase idênticos, "diz Liu.

Esses resultados servirão de base para uma série de estudos futuros que se aprofundarão em como a capacidade de realizar tarefas é codificada em redes. Para redes mecânicas como enzimas, esse conhecimento pode melhorar a capacidade dos pesquisadores biomédicos de projetar medicamentos e tratamentos direcionados.

Como primeiro passo, O Rocks está trabalhando para entender melhor como as redes realmente funcionam. "Até este ponto, tratamos como uma caixa preta, "diz ele." Mas não queremos fazer isso. Queremos entender como uma rede executa uma função específica. Queremos entender quais aspectos da estrutura da rede são importantes. "

Liu e Katifori estão entusiasmados com sua colaboração e os resultados que esperam encontrar em um futuro próximo. "Se você tivesse me perguntado antes de fazer este projeto se teríamos a mesma resposta para as duas redes, Eu diria 'por quê?' ", Diz Katifori." Mas quando você pensa sobre isso, e quando você entender isso, você percebe a elegância deste estudo e por que essas duas redes devem ser iguais. "