Прекрасна оглядова стаття «Design Patterns of Biological Cells», опублікована на початку цього року в журналі BioEssays, показує, що патерни дизайну – це «узагальнені рішення проблем, що повторюються» (Andrews, Wiley, and Sauro 2024).¹ Теорія Розумного задуму (ID), яка припускає, що деякі аспекти природи краще пояснюються розумним керуванням, ніж закономірностями та випадковими подіями, передбачає патерни дизайну в природі. Це пояснюється тим, що патерни дизайну – це технічно вироблені рішення, створені дизайнерами, для розв'язання проблем, що виникають в просторі дизайну.

Автори розглядають три типи патернів проєктування. Для кожного з них я виберу одну підкатегорію й розповім про неї трохи детальніше. Потім я перейду до обговорення того, як кожен патерн проєктування вимагає прямих дій інтелектуального агента. Ось три категорії:

● «Креативний» описує повторювані схеми побудови компонентів клітини.

● «Структурний» описує взаємозв'язки або відносини між об'єктами в клітині.

● «Поведінковий» описує поведінку клітинних об'єктів у часі.

Патерни креативного дизайну

Andrews et al. виділяють п'ять підкатегорій для шаблонів креативного дизайну. Перша з цих підкатегорій – шаблонізація. Клітинам необхідно зберігати інформацію в ДНК й запобігати її пошкодженню під впливом часу та випадковостей. Вирішенням цієї проблеми є шаблонування, за якого вихідна інформація точно копіюється. Шаблонна робота в клітині охоплює реплікацію ДНК, транскрипцію й переклад. Створення шаблонів вказує на те, що за їхньою розробкою стоїть розумний агент, оскільки для збереження інформації необхідно усвідомити сили, що накладаються законами фізики та хімії, які потрібно подолати. Шаблонізація також вимагає прозорливості, щоб уявити собі рішення, винайшовши такі незрівнянно складні молекулярні машини, як ДНК-полімераза, РНК-полімераза й рибосома. Нарешті, шаблонізація вимагає створення самої інформації – фізичного коду ДНК для полімераз і рибосом.

Структурні патерни дизайну

Структурні патерни – це патерни проєктування, засновані на міжоб'єктних відносинах. Для структурних патернів Andrews et al. виділяють шість підкатегорій. Третя з них – це «спільна валюта».

В клітинах існує безліч спільних проміжних продуктів обміну речовин, включно зі спільними формами зберігання енергії, такими як АТФ. Традиційно це пояснюється спільним походженням, але є й важлива причина, заснована на дизайні. Використання спільних продуктів обміну спрощує взаємодію між об'єктами. Наприклад, простіше заправити машину бензином, якщо бензин – спільний для більшості машин, тому що, куди б ви не поїхали, є шанс, що ви знайдете його в продажу. Ось ще один приклад. Легше купувати продукти за загальну валюту, таку як долар США, тому що вам не потрібно зупинятися й обмінювати гроші перед покупкою, найімовірніше, сплачуючи за це комісійні.

Клітини стикаються з аналогічними обмеженнями. Вони покладаються на певних виробників енергії в певний час та несуть витрати на міженергетичні перетворення. Таким чином, АТФ, ймовірно, є розробленим рішенням, що відповідає вищезазначеним вимогам. Andrews et al. зазначають, що топологічний патерн спільних продуктів обміну схожий на краватку-метелик. У цьому типі архітектури багато поживних речовин перетворюються на «спільну валюту» (вузол), яка потім може розширюватися для виконання безлічі різних завдань. Цей мотив вимагає наявності інтелектуального агента, оскільки перед тим, як придумати валюту, яка може працювати між об'єктами нижнього рівня, необхідно оцінити мету екосистеми та організмів. Це передбачає розуміння того, як все буде взаємопов'язано й що можливо в просторі фізики й хімії, а потім планування й реалізацію. Тільки розумний агент має такі можливості, які недоступні випадковим процесам.

Поведінкові патерни проєктування

Поведінкові патерни проєктування зосереджені на динаміці мереж реакцій. Andrews et al. виділяють вісім таких патернів. Наприклад, перемикання, яке відбувається, коли безперервний вхідний сигнал необхідно перетворити на дискретний вихідний. Найпоширеніші способи домогтися цього – використовувати надчутливість або бістабільність. Надчутливі перемикачі забезпечують різку порогову відповідь, гарантуючи, що система буде повністю перебувати в тому чи іншому стані, а не в проміжному. Цього можна домогтися різними способами. Класичним прикладом надчутливості в біології є необхідний перехід гемоглобіну від зв'язування кисню в легенях до його вивільнення в м'язах. Це відбувається завдяки алостеричній конструкції гемоглобіну. Коли парціальний тиск кисню високий (в легенях), зв'язування однієї молекули кисню полегшує зв'язування наступної молекули кисню. Важливо зазначити, що якщо побудувати графік залежності відсоткового вмісту гемоглобіну, зв'язаного з киснем, від парціального тиску кисню, то крива буде сигмоїдальною, а не гіперболічною. Сигмоїдальна форма говорить нам про те, що в легенях зв'язування кисню полегшується після того, як перша молекула зв'язується, а вивільнення кисню полегшується в м'язах після того, як перша молекула відпускається.

Надчутливість, представлена цією сигмоїдальною кривою, може бути досягнута й іншим способом. Припустімо, існує цикл фосфорилювання-дефосфорилювання, в якому кіназа й фосфатаза працюють на рівні насичення й мають константи швидкості, що не залежать від концентрації субстратів. Хоча це не зовсім зрозуміло, поки це не зображено графічно, відповідь також є надчутливою, тобто сигмоїдальною. При дотриманні цих умов цикл може різко переключитися з майже повністю одного стану на майже повністю інший (Ferrell and Ha 2014).²

Інший спосіб надчутливості – наявність кількох сайтів фосфорилювання на кіназі, коли кіназа не активна до останнього фосфорилювання, й кожне наступне фосфорилювання є трохи легшим за попереднє (Ferrell and Ha 2014).³

Ще один приклад – інгібування на основі концентрації. В цьому випадку щільно зв'язаний інгібітор може перешкоджати активності ферменту доти, доки концентрація ферменту не перевищить концентрацію інгібітора. В цей момент фермент більше не інгібується, що призводить до раптового перемикання.

Останній і дещо інший приклад – позитивний зворотний зв'язок. В мережах розвитку він зустрічається частіше, ніж у сенсорних мережах. Чому так відбувається? Позитивний зворотний зв'язок уповільнює час відповіді, що вигідно для багатоступеневих процесів, які потребують багато часу або включають затримки. Уповільнення часу відповіді також допомагає зменшити шум, що дуже важливо під час ухвалення незворотних рішень. Однак позитивне регулювання може досягати не тільки цього. Позитивна регуляція може приймати різкі рішення між двома станами й зберігати ці рішення протягом тривалого часу – це явище відоме як бістабільність. Розглянемо позитивний зворотний зв'язок в регуляції генів: щойно ген активується внаслідок позитивної авторегуляції, він виявляється увімкненим. Ген залишатиметься збудженим навіть після зникнення вхідного сигналу, забезпечуючи довготривалу пам'ять про те, що вхідний сигнал існував. Цей тип перемикання використовується в процесі розвитку для ухвалення незворотних рішень, які визначають долю клітини (Alon 2019).⁴

Чому мотив проєктування перемикачів вказує на інтелект? Проектування ефективного перемикача вимагає розуміння системи й того, чим потрібно керувати: «Що потрібно ввімкнути або вимкнути в певний час?». Необхідно враховувати, чи має управління бути ручним або автоматизованим. Окрім того, створення відповідних перемикачів вимагає знань про безпеку. Перемикання також часто необхідне в послідовних операціях. Тип перемикача, його чутливість, конструкція й сумісність мають бути продумані заздалегідь. Кожен перемикач функціонує в системі певним чином, так що здається, що він «знає» або «передбачає» поведінку інших перемикачів, щоб можна було створити більш складну поведінку.

Навіщо вивчати ці патерни проєктування?

Корисно скласти список рішень, які клітини використовують для вирішення конкретних завдань. Патерни дизайну абстрагують широкий спектр функцій клітини в керований набір окремих патернів, пов'язаних із функціями, які вони виконують, показуючи, як вони вирішують певні проблеми. Їхнє вивчення, як ми це робили на прикладі різних відомих на сьогодні способів досягнення надчутливості, дає змогу глибше зрозуміти, чому клітинні механізми працюють саме так, як вони працюють. Відповідно, патерни дизайну в клітинах також є чудовою ілюстрацією того, як мислення, засноване на дизайні, може поглибити наше розуміння біології.