生物學的簡單性

生物學的簡單性
知識通訊評論第55期

要了解細胞內部數以千計分子的相互作用是項挑戰，但是若能掌握構思原則，就可簡化整體圖象。

DNA

「複雜」大概是描述生物學最常被用到的形容詞，每一個細胞內都有成千的代謝物、蛋白質及DNA在內部網路中相互作用，如果情況適合，而每一個相互作用本身又是結構精緻蛋白質之間極複雜的互動，而每個蛋白質看來都像糾結在一起的彩飾義大利通心麪外加原子附加物；這樣的東西有何簡單性可言？

我要表達的不是說生物學很簡單，而是生物學的網路互動應該比實際上單純，整個網路似乎在不同的面向有不同程度簡明易懂的事物，這擺明是為了細胞生存而演化，科學家懂不懂倒在其次。

在規範基因的網路架構中有一種簡單性，巨大的網路架構中可能有大量的互動模式，但是生物網路的結構卻僅出現少數類似模式，稱之為網路基調，這個基調在網路中一再重覆出現，每次不同的基因都是以相同的模式進行互動。

理論模型與即時監看活體細胞內動態網路活動的實驗，都揭示不同的基調有特定作用，像是過濾輸入訊號的變動因子，舉例來說，大腸桿菌中的一種共通基調，即使最初啟動反應的信號已經消失，還是會讓細菌對壓力做出適當的反應。

當感受到壓力時，大腸桿菌製造的蛋白質自行集結成為鞭子形狀的結構，稱之為鞭狀體，可使細菌得以四處游走找尋更好的狀態。一個被稱為協調前饋控制圈的網路基調，可以感覺到壓力信號並協調鞭狀體蛋白質的產物，當壓力信號出現時，這個基調允許細胞開始製造鞭狀體蛋白質，一旦信號消失，仍持續生產一小時之久，相當於集結一個鞭狀體的時間。此一基調可以對於輸入信號短暫消失時的鞭狀體產製提供保護作用。相同的基調在細菌和其他有機體的數百個系統中都曾經出現。

為何標準基因網路僅建立在少數幾個網路基調上？數量極少的基調似乎是起因於生物環路必須面對的嚴格的限制，譬如：環路的運作，必須不理會構成要素集中的隨機變動，因為隨機變動似乎是細胞先天的特質。這種對於穩定性的需求，大大減少了理論上有功能性但作用卻很少的環路數量，對穩定生物設計基本原理輪廓的理論及實驗研究，已經啟動。

更進一步，在細菌的案例中，細胞似乎一切從簡，網路基調傾向於與最少的物件形成環路，這樣才能穩定地執行功能。同樣的，到目前已研究的許多系統中，基調之間的連線，總是在不損壞每一基調的基本運作下進行。因此，集合基調會引起新的動態功能。

在細菌中發現的小規模網路基調，也在不同有機體的基因規範的網路中出現，包括動物及植物都有。演化本身似乎一再地在不同的系統中「發現」同樣的基調：環路複製，一個最早期的網基調在數個物種中，造就出已存的基調，由數個不同基調例子可發現蛋白質間有「家族類似」現象，只是被發現的例子不多。這種匯聚式的演化，令人聯想到特定基調因它們的特性，而一再地被選用。

為了要去了解動態生物學網路，出現了第二種型態的簡單性，每一基調的動態都可用數學模型描繪，這中間有一定的普遍性，而不需用到本文開頭所提到的大量分子細節。許多案例中，模型並不需要知道每一蛋白質的細部運作，只需取得是否X有活性或限止Y的活動，以及是在何種濃度（或許會加入一些參數）。這樣的模型似乎能抓住動態蛋白質環路的精髓，如此一來，也能自複雜的蛋白質中抽離出來。

簡單性模型中更進一步源頭，是不同進程中時程的的強分隔特性，譬如：控制新蛋白質生產的網路，工作時程是數十分鐘，而對既有蛋白質的化學修改網路運作時程僅數秒。因此化學修改既有蛋白質環路能夠在互動較慢的蛋白質改變濃度前完成工作。就數學上來看，時段的分隔，讓我們可以利用在快速時程互動的穩定狀態近似方法，來了解較慢時程的動態。

到目前為止研究的一些生物網路，似乎包含著某種程度的簡單性。將原理簡單化，也給看似難以理解的生物網路行為，帶來終將破解的希望。我們強調生物學的簡單性是為激發一個觀點，那就是普適原理終會發現。缺少這樣的原理，就很難想像我們怎麼能理解在整個細胞、組織或有機體這些層面的生物學。

(本文是以色列魏茲曼科學院分子細胞生物及複雜系統物理系的阿龍(Uri Alon)在二○○七年三月二十九日《自然》雜誌的專文)