Исследователи используют теорию микроэкономики для предсказания реакции биологических систем на изменения среды
Команда из Токийского университета объединила экономическую теорию с биологией, чтобы понять, как природные системы реагируют на изменения. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Учёные обнаружили сходство между поведением потребителей при покупках и поведением метаболических систем, которые превращают пищу в энергию в наших телах. Команда сосредоточилась на предсказании реакции различных метаболических систем на изменения среды с помощью экономического инструмента — уравнения Слуцкого.
Их расчёты показали, что очень разные метаболические системы на самом деле обладают ранее неизвестными универсальными свойствами, и их можно понять с помощью инструментов из других научных областей. Метаболические процессы используются в разработке лекарств, биоинженерии, производстве продуктов питания и других отраслях, поэтому возможность предсказать реакцию таких систем на изменения может принести много пользы.
В последние годы стало возможным предсказывать некоторые реакции с помощью численного моделирования, но это требует больших объёмов данных. Однако исследователи из Токийского университета вывели ранее неизвестные универсальные свойства метаболических систем, применив к своим данным теорию микроэкономики.
«До этого исследования мы думали, что метаболические системы настолько сильно различаются у разных видов и типов клеток, что у них нет общих свойств, — пояснил доцент Тэцухиро Хатакэяма. — Однако мы были очень рады продемонстрировать, что все метаболические системы обладают универсальными свойствами и что эти свойства могут быть выражены очень простыми законами».
Согласно исследователям, эта теория не требует сбора такого количества детальных фоновых данных, как другие методы. Она также может быть эффективно применена как для понимания поведения всех метаболических процессов в клетке, так и для фокусировки на одной её части — например, на том, сколько кислорода она потребляет.
Хатакэяма, биофизик, рассматривая диаграммы метаболических систем, заметил поразительное сходство с диаграммами, используемыми в экономике. Это вдохновило его на междисциплинарный подход и применение экономической теории, которую он кратко изучал, к своим биологическим исследованиям.
Вместе с соавтором Дзюмпэем Ямагиси они решили исследовать, как и потребители, и клетки оптимизируют свои «расходы» для максимизации выгоды: если мы, потребители, тратим деньги, то клетки «тратят» питательные вещества. Они предположили, что если есть сходства, то, возможно, те же теории, которые используются для выявления закономерностей в поведении потребителей при изменении финансовой ситуации, могут выявить закономерности и в клеточном метаболическом поведении при изменении среды.
В частности, исследователи сосредоточились на уравнении Слуцкого, которое используется для понимания изменений потребительского спроса. Оно помогает понять так называемые товары Гиффена, спрос на которые парадоксальным образом растёт при повышении цены и падает при её снижении.
По словам Хатакэямы, это похоже на поведение клеточного метаболизма в ответ на внешнее воздействие. Например, спрос на дыхание (в данном случае — товар Гиффена) в раковых клетках парадоксальным образом возрастает при увеличении дозы лекарства («цены»), даже если это не полезно для скорости роста опухоли. В результате команда обнаружила универсальный закон, описывающий, как метаболические системы реагируют на изменения.
Одно из ключевых преимуществ этого закона в том, что его можно использовать для понимания метаболических систем, о которых известно мало деталей. «Нарушения в метаболических системах приводят к различным заболеваниям, и наше исследование может быть использовано для предложения новых стратегий лечения болезней, терапия которых до конца не изучена», — сказал Хатакэяма.
«Кроме того, многие продукты питания и лекарства производятся с использованием метаболических систем организмов. Применяя простое уравнение, найденное в этом исследовании, мы можем понять, как увеличить выход продуктов, создаваемых с помощью этих систем». Хатакэяма надеется, что дальнейшие междисциплинарные исследования могут привести к открытию большего количества универсальных законов с разнообразным практическим применением.