Обеспечение надежности систем

Discussion of articles on nutrition and dietetics of both the yellow and the serious press

Модераторы: Симоненко Ольга, Натали

Аватара пользователя
Робот
VIP
VIP
Сообщения: 6403
Зарегистрирован: 11 июн 2018, 14:51
Поблагодарили: 2 раза

Обеспечение надежности систем

Непрочитанное сообщение Робот »

Это сообщение оставлено Роботом
Аватара пользователя
Натали
Донатор
Донатор
Сообщения: 1320
Зарегистрирован: 21 авг 2018, 20:57
Откуда: Королёв
Благодарил (а): 67 раз
Поблагодарили: 36 раз

Re: Обеспечение надежности систем

Непрочитанное сообщение Натали »

Человеческий организм гарантирует, что концентрация кальция в крови остается постоянной. Таким же образом автопилот самолета поддерживает полет на постоянной высоте. Их объединяет то, что и тело, и автопилот используют сложные интегральные механизмы управления с обратной связью (см. вставку). Исследователи из отдела биосистем науки и техники в ETH Цюрих в Базеле теперь впервые удалось построить такой интегральный контроллер полностью с нуля в живой клетке,как они сообщают в последнем номере журнала Nature. Их синтетический биологический подход может, среди прочего, позволить в будущем оптимизировать биотехнологические производственные процессы и регулировать гормональную активность с помощью клеточной терапии.

Постоянный, несмотря на экологические нарушения

Морские инженеры были первыми, кто построил такие интегральные системы управления с обратной связью, используя их для автоматизации управления судном более ста лет назад. С тех пор он применяется везде, где есть необходимость поддерживать, скажем, направление, температуру, скорость или высоту постоянными и стабильными перед лицом внешних воздействий. Роль интеграции заключается в том, что она позволяет системе управления вносить поправки, основанные как на величине, так и на длительности отклонения от желаемого постоянного значения.

В биологии также развились механизмы поддержания, например, постоянной концентрации веществ в крови. Несколько лет назад исследователи во главе с профессором кафедры Биосистемной науки и техники Мустафой Хаммашем показали, что эти биологические механизмы также являются примерами интегрального управления с обратной связью. "Эти виды интегральных контроллеров чрезвычайно устойчивы к неожиданным нарушениям окружающей среды, - говорит Хаммаш, - что, вероятно, объясняет, почему этот принцип преобладал в эволюции и почему он повсеместно распространен в технологии."

Взаимодействие двух молекул

Хаммаш и его междисциплинарная команда теоретиков управления, математиков и экспериментальных биологов впервые преуспели в создании такого интегрального регулятора обратной связи в виде синтетической генетической регуляторной сети внутри бактерии. Их механизм обратной связи основан на двух молекулах-А и в, которые связываются друг с другом, чтобы стать неактивными. Вместе эти две молекулы обладают способностью поддерживать постоянную концентрацию третьей молекулы, С. Система устроена так, что молекула в способствует производству С, в то время как скорость производства а зависит от концентрации С. петля обратной связи состоит в том, что при избытке С будет производиться больше а, что приведет к инактивации большего количества в, что в свою очередь приведет к падению производства С.

В качестве доказательства концепции ученые ETH использовали этот принцип для контроля производства зеленого флуоресцентного белка в бактериях Escherichia coli. Благодаря контроллеру обратной связи бактерии производили постоянное количество флуоресцентного белка - даже когда ученые, которые хотели протестировать систему, пытались подавить его производство с помощью сильных ингибиторов. Во втором эксперименте исследователям удалось создать бактериальную популяцию, которая росла с постоянной скоростью, несмотря на попытки ученых нарушить рост, снова в попытке проверить механизм обратной связи.

Совершенствование биотехнологий и методов лечения

Биотехнология теперь может заставить этот новый механизм контроля работать в бактериях для производства витаминов, лекарств, химических веществ или биотоплива, причем механизм гарантирует, что скорость производства внутри бактерий поддерживается постоянной на оптимальном уровне.

Ученые ETH разрабатывают аналогичный механизм управления для клеток млекопитающих в последующей исследовательской работе, которая проложит путь для дальнейших применений, в том числе дизайнерских клеток с генетическими регуляторными сетями для производства гормонов в организме пациента. Среди тех, кто выиграет от такого подхода, есть люди с диабетом или дефицитом щитовидной железы. Синтетические регуляторы обратной связи также могут быть использованы для улучшения иммунотерапии рака. "В этой форме терапии иммунные клетки должны быть достаточно активными, чтобы бороться с опухолью, но не сверхактивными, поскольку они затем атакуют здоровые ткани", - говорит Хаммаш. -Такой механизм, как наш, мог бы точно настроить их деятельность."

Интегральный регулятор

По словам профессора ETH Мустафы Хаммаша, регулирование концентрации кальция в крови является хорошим примером, с помощью которого можно проиллюстрировать принцип интегральных регуляторов в биологии. Эта концентрация жестко регулируется на уровне примерно 95 миллиграммов на литр крови, независимо от того, сколько кальция человек употребляет в пищу. Эта скорость даже остается постоянной во время лактации, когда много кальция берется из крови для производства молока. "Постоянный уровень кальция необходим для правильного функционирования многих физиологических процессов, включая мышечную и нервную функцию или свертывание крови", - говорит Хаммаш.

Гормон PTH работает как один из двух агентов обратной связи в организме в этом контексте: PTH способствует мобилизации кальция из костной ткани в кровоток. Чем ниже концентрация кальция в крови, тем больше ПТГ вырабатывается паращитовидными железами. "Это одна из частей реакции организма, когда уровень кальция слишком низок", - говорит Хаммаш.

Но чтобы привести концентрацию кальция полностью в норму после внезапного всплеска или падения, добавляет он, необходим второй механизм. Эта роль принадлежит биологически активной форме витамина D3, который способствует всасыванию в кровоток кальция из частично переваренной пищи в тонком кишечнике. Однако выработка этой активной формы витамина D3 в почках зависит от концентрации ПТГ.

Вместе эти два гормона отвечают за то, чтобы концентрация кальция в крови со временем как можно меньше отклонялась от своего нормального уровня-или, другими словами, чтобы "Интеграл отклонения от времени", как выразился бы математик, приближался к константе. Поэтому такой механизм управления называется интегральным.
Donat
Ответить