在过去的150年中，工程师使用所谓的控制理论开发并掌握了稳定动态系统的方法，没有滞后或超调。现在，亚利桑那大学的一个研究小组已经证明，细胞和生物进化出复杂的生物化学回路，遵循控制理论的原理，在第一位工程师将铅笔放到纸上数百万年之前。

以您的家用空调为例。您将温度设置为82度并开始工作。在漫长而炎热的一天后返回时，将温度设置为72度。然后你的空调将冷空气吹进你的家中，直到恒温器达到72.这是所谓的前馈控制的模拟 - 你的恒温器设定一个目标，尽可能快地接近72度，并在它遇到时关闭目标。

晚上的剩余时间，您的空调会感应温度偏离72°并以小爆发开启以保持稳定的温度。这是用于反馈控制的模拟，其中从设定温度反馈到控制器的小波动导致系统调整。

UA团队发现，细胞内两个相互连接的生物化学回路--TOR和PKA途径 - 的耦合就像恒温器一样控制细胞的生长，以响应营养物质的供应。几十年来，人们都知道PKA和TOR的突变都会导致疾病;新的研究发现，每个途径都有其独特的作用，并精确地阐明了这两种途径如何以及为何如此协同作用。

该研究发表在Nature Communications上，由分子和细胞生物学副教授和BIO5研究所成员Andrew Capaldi领导。他和他的团队想知道，如果TOR和PKA都能激活导致细胞生长的基因，并根据营养物质开启和关闭，那么为什么细胞需要这两种途径来控制生长?

细胞不断适应环境中的可用性。他们发现当细胞有稳定的营养素时，TOR途径可以确保细胞以适当的(匹配的)速度突然出现。但当一个细胞突然富含某种营养素时，PKA途径会转变为齿轮并触发基因产生增加25倍，然后再关闭并让更精确的TOR控制器再次接管。如果没有PKA，TOR对营养物质流入的反应将会滞后。

“如果你只是拥有TOR途径，那么你总是会以一个很好的速度进行复制。问题是，当条件发生变化时，需要一个小时来调整其生长速度。因此大自然增加了PKA，”Capaldi说。当你的营养不足时，PKA也可以快速关闭东西，让TOR再次接管。“正在发生的事情是你有两个控制 - 一个是加快响应的工作，另一个是保持完全正确。”

化学工程师使用相同的原理来严格控制温度。

“通常情况下，化学品必须保持一定的温度，否则你最终会产生不必要的副反应。因此，工程师在化学混合室内加一个恒温器，”Capaldi说。“让我们说下一阶段的反应会产生大量的热量。他们使用像PKA这样的前馈控制来快速调节温度，然后反馈控制接管以保持稳定，就像TOR一样。”

因为细胞必须非常精确，细胞通路很多且复杂。

“我们的细胞有30,000种蛋白质，生物学家已经证明，如果控制生长的几千种中的任何一种出现任何问题，那么你就可以得到一种疾病，”卡帕尔迪说。“这是因为这些路径不能像简单的开关一样工作。正如我们在新研究中所表明的那样，它们就像复杂的电路，甚至是计算机。”

实际上，与计算机一样，信令网络也有所谓的集线器。TOR和PKA途径充当中枢，因为它们彼此高度连接，以及细胞中数百种其他蛋白质和途径。结果，当这些集线器中的任何一个被破坏时，整个系统就会崩溃，就像我们在互联网上发现的那样。

例如，产生不足的TOR可导致临床抑郁。过度活跃的TOR导致癫痫，过度活跃的TOR或PKA导致癌症。

“最重要的传承信息是以这种方式思考细胞中的所有不同途径 - 也就是说，考虑如何协同作用以提供精确控制。我们将无法设计真正有效的药物，直到我们做，“他说。

“我希望我们的研究能够继续沿着同一主题进行，”卡帕尔迪补充道。“我们将继续努力弄清楚增长控制网络的不同部分是如何协同工作的。有数百个信号通路相互连接，但我们仍然不知道它们之间是如何或为何相互通信的。我们还有很多需要学习的东西。“