Ilmuwan Menemukan Kemampuan Seperti Jaringan Syaraf Tiruan yang Tersembunyi pada Molekul yang Merakit Sendiri

Kita cenderung memisahkan otak dan otot – otak berpikir; otot melakukan tugasnya. Otak menerima informasi kompleks tentang dunia, membuat keputusan, sementara otot hanya melaksanakannya. Perbedaan ini meluas ke pemahaman kita tentang proses seluler, di mana molekul tertentu di dalam sel dianggap sebagai 'pemikir', yang memproses informasi dari lingkungan kimia untuk menentukan tindakan yang diperlukan untuk bertahan hidup, sementara molekul lain dipandang sebagai 'otot', yang membangun struktur penting. . . untuk kelangsungan hidup sel.

Namun studi baru menunjukkan bagaimana molekul yang membangun struktur, seperti otot, dapat berpikir dan bertindak sendiri. Penelitian tersebut dilakukan oleh para ilmuwan di Maynooth University Universitas Chicagodan Institut Teknologi California yang diterbitkan dalam jurnal Alami.

“Kami menunjukkan bahwa proses molekuler alami – nukleasi – yang telah lama dipelajari sebagai `otot' dapat melakukan komputasi kompleks yang menyaingi jaringan saraf sederhana,” kata Profesor Arvind Murugan dari Universitas Chicago, salah satu dari dua peneliti senior. rekan penulis di atas kertas. “Ini adalah kemampuan tersembunyi yang dapat dieksploitasi oleh evolusi dalam sel untuk berbuat lebih banyak dengan lebih sedikit; Molekul yang 'berbuat' juga dapat melakukan 'berpikir'.”

Berpikir menggunakan fisika

Sel perlu mengenali lingkungan tempat mereka berada dan melakukan berbagai hal untuk bertahan hidup. Misalnya, beberapa kombinasi molekul mungkin menunjukkan saat-saat stres yang mengharuskan kita untuk berdiam diri, sementara kombinasi molekul lainnya mungkin menunjukkan saat-saat berlimpah. Namun perbedaan antara sinyal molekuler ini bisa jadi tidak kentara – lingkungan yang berbeda mungkin melibatkan molekul yang sama tetapi dalam proporsi yang berbeda.

Dr Constantine Evans, Peneliti di Hamilton Institute, Maynooth University, penulis utama studi tersebut, menjelaskan bahwa hal tersebut seperti berjalan ke dalam rumah dan mencium aroma kue yang baru dipanggang, dibandingkan mencium bau karet yang terbakar. “Otak Anda akan mengubah perilaku Anda tergantung pada bagaimana Anda merasakan berbagai kombinasi bahan kimia yang berbau. “Kami mulai bertanya apakah fisika sistem molekuler dapat melakukan hal yang sama, meski tidak memiliki otak,” katanya.

Pandangan tradisionalnya adalah bahwa sel mungkin dapat merasakan dan merespons dengan cara ini menggunakan sirkuit molekuler yang secara konseptual menyerupai sirkuit elektronik di laptop Anda; beberapa molekul merasakan, molekul lain membuat keputusan tentang apa yang harus dilakukan, dan akhirnya molekul 'otot' melakukan suatu tindakan (misalnya, membangun suatu struktur).

Ide alternatif yang dieksplorasi di sini adalah bahwa semua tugas ini – penginderaan, pengambilan keputusan, respons – dapat diselesaikan dalam satu langkah dengan sifat fisik yang melekat pada `otot' itu sendiri. Fisika yang terlibat dalam penelitian ini adalah “transisi fase” – bayangkan segelas air membeku ketika mencapai 0 °C; pertama, pecahan kecil es 'berinti' dan kemudian tumbuh hingga seluruh gelas air membeku.

Sekilas, langkah awal dalam tindakan “pembekuan” – nukleasi – tidak menyerupai `berpikir'. Namun penelitian ini menunjukkan bahwa tindakan pembekuan dapat “mengenali” kombinasi kimia yang sedikit berbeda – misalnya, bau kue oatmeal kismis vs keping coklat – dan membangun struktur molekul berbeda sebagai responsnya.

Kekokohan dalam eksperimen

Para penulis menguji ketahanan penggunaan pengambilan keputusan berbasis nukleasi DNA nanoteknologi, bidang yang dipelopori oleh Prof Erik Winfree. “Teorinya bersifat umum dan dapat diterapkan pada semua jenis molekul. Namun DNA memungkinkan kita mempelajari nukleasi secara eksperimental dalam campuran kompleks ribuan jenis molekul dan secara sistematis memahami dampak dari banyak jenis molekul dan jenis interaksi yang dimilikinya,” jelas Erik.

Eksperimen ini mengungkap beberapa kejutan – pengambilan keputusan berbasis `otot' ternyata sangat kuat dan terukur. Komplikasi yang tidak dimodelkan dalam teori, seperti kehabisan molekul selama percobaan, ternyata lebih bermanfaat daripada merugikan. Hasilnya, eksperimen yang relatif sederhana memecahkan masalah pengenalan pola yang melibatkan sekitar seribu jenis molekul, hampir 10 kali lipat lebih besar dibandingkan pendekatan berbasis sirkuit sebelumnya. Dalam setiap kasus, molekul berkumpul untuk membangun struktur berskala nanometer yang berbeda sebagai respons terhadap pola kimia yang berbeda – kecuali tindakan membangun struktur itu sendiri menentukan apa yang akan dibangun.

Karya ini menunjuk pada pandangan baru komputasi yang tidak melibatkan perancangan sirkuit melainkan merancang apa yang oleh fisikawan disebut 'diagram fase'; misalnya, untuk air, diagram fase mungkin menggambarkan kondisi suhu dan tekanan di mana air cair akan membeku atau mendidih. Secara konvensional, diagram fase dipandang sebagai gambaran sifat material yang mirip 'otot'. Namun, penelitian ini menunjukkan bahwa diagram fase juga dapat mengkodekan `berpikir' selain `berbuat' ketika diperluas ke sistem yang kompleks dengan banyak perbedaan. jenis komponen.

“Fisikawan secara tradisional mempelajari hal-hal seperti segelas air yang memiliki banyak molekul tetapi semuanya identik. Tapi sel hidup penuh dengan banyak hal berbeda jenis molekul yang berinteraksi satu sama lain dengan cara yang kompleks. Hal ini menghasilkan kemampuan baru dan berbeda dari sistem multi-komponen,” kata Dr Jackson O'Brien, yang terlibat dalam penelitian ini sebagai mahasiswa pascasarjana bidang fisika di Universitas Chicago. Teori dalam karya ini menggambarkan analogi matematis antara sistem multi-komponen dan teori jaringan saraf; Eksperimen menunjukkan bagaimana sistem multi-komponen ini dapat berfungsi mempelajari sifat komputasi yang tepat melalui proses fisik, seperti otak belajar mengasosiasikan bau yang berbeda dengan tindakan yang berbeda.

Meskipun eksperimen di sini melibatkan molekul DNA dalam tabung reaksi, konsep dasarnya – nukleasi dalam sistem dengan berbagai jenis komponen – berlaku secara luas pada banyak sistem molekuler dan fisik lainnya. Penulis berharap penelitian ini dapat memacu upaya untuk mengungkap kemampuan 'berpikir' yang tersembunyi dalam sistem multi-komponen lain yang saat ini tampak hanya sekedar 'otot'.

Referensi: “Pengenalan pola dalam kinetika nukleasi perakitan mandiri non-ekuilibrium” oleh Constantine Glen Evans, Jackson O'Brien, Erik Winfree dan Arvind Murugan, 17 Januari 2024, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-023-06890-z

Pendanaan disediakan oleh National Science Foundation (USA), Evans Foundation for Molecular Medicine, European Research Council, Science Foundation Ireland, University of Chicago Materials Research Science and Engineering Center, Simons Foundation, dan Carver Mead New Adventures Fund.