mattiussi2013 rethinking theoretical biology
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7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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D r a f t . R e v i s e d a n d p u b l i s h e d i n :
A c t a B i o t h e o r e t i c a 6 0 ( 2 ) , ( 2 0 1 3 ) , d o i : 1 0 . 1 0 0 7 / s 1 0 4 4 1 - 0 1 3 - 9 1 8 0 - x
C a n a n e n g i n e e r x a n i m m u n e s y s t e m ? R e t h i n k i n g
t h e o r e t i c a l b i o l o g y
C l a u d i o M a t t i u s s i
A b s t r a c t I n a n i n s t a n t c l a s s i c p a p e r [ L a z e b n i k , Y . C a n a b i o l o g i s t x a r a -
d i o ? O r , w h a t I l e a r n e d w h i l e s t u d y i n g a p o p t o s i s , C a n c e r C e l l 2 ( 3 ) ( 2 0 0 2 )
1 7 9 1 8 2 ] b i o l o g i s t Y u r i L a z e b n i k d e p l o r e s t h e p o o r e e c t i v e n e s s o f t h e a p -
p r o a c h a d o p t e d b y b i o l o g i s t s t o u n d e r s t a n d a n d x b i o l o g i c a l s y s t e m s . L a z e b -
n i k s u g g e s t s t h a t t o r e m e d y t h i s s t a t e o f t h i n g s b i o l o g i s t s h o u l d t a k e i n s p i r a t i o n
f r o m t h e a p p r o a c h u s e d b y e n g i n e e r s t o d e s i g n , u n d e r s t a n d , a n d t r o u b l e s h o o t
t e c h n o l o g i c a l s y s t e m s . I n t h e p r e s e n t p a p e r I s u b s t a n t i a t e L a z e b n i k ' s a n a l y s i s
b y c o n c r e t e l y s h o w i n g h o w t o a p p l y t h e e n g i n e e r i n g a p p r o a c h t o b i o l o g i c a l
p r o b l e m s . I u s e a n a c t u a l e x a m p l e o f e l e c t r o n i c c i r c u i t t r o u b l e s h o o t i n g t o
g r o u n d t h e t h e s i s t h a t , i n e n g i n e e r i n g , t h e c r u c i a l p h a s e s o f a n y n o n - t r i v i a l
t r o u b l e s h o o t i n g p r o c e s s a r e a i m e d a t g e n e r a t i n g a m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n o f
t h e f u n c t i o n i n g o f t h e s y s t e m , w h i c h m a k e s e x t e n s i v e r e c o u r s e t o p r o b l e m -
d r i v e n q u a l i t a t i v e r e a s o n i n g p o s s i b l y b a s e d o n c o g n i t i v e a r t i f a c t s a p p l i e d t o
s y s t e m s t h a t a r e k n o w n t o h a v e b e e n d e s i g n e d f o r f u n c t i o n . T o s h o w h o w t o
t r a n s l a t e t h e s e n d i n g s i n t o b i o l o g i c a l p r a c t i c e I c o n s i d e r a c o n c r e t e e x a m p l e
o f b i o l o g i c a l m o d e l b u i l d i n g a n d t r o u b l e s h o o t i n g , a i m e d a t t h e i d e n t i c a t i o n
o f a x f o r t h e h u m a n i m m u n e s y s t e m i n p r e s e n c e o f p r o g r e s s i n g c a n c e r ,
a u t o i m m u n e d i s e a s e , a n d t r a n s p l a n t r e j e c t i o n . T h e r e s u l t i s a n o v e l i m m u n e
s y s t e m m o d e l t h e d a n g e r m o d e l w i t h r e g u l a t o r y c e l l s a n d n e w , o r i g i n a l
h y p o t h e s e s c o n c e r n i n g t h e d e v e l o p m e n t , p r o p h y l a x i s , a n d t h e r a p y o f t h e s e
u n w a n t e d b i o l o g i c a l p r o c e s s e s . B a s e d o n t h e m a n i f e s t e c a c y o f t h e p r o p o s e d
a p p r o a c h , I s u g g e s t a r e f o c u s i n g o f t h e a c t i v i t y o f t h e o r e t i c a l b i o l o g i s t s a l o n g
t h e e n g i n e e r i n g - i n s p i r e d l i n e s i l l u s t r a t e d i n t h e p a p e r .
K e y w o r d s q u a l i t a t i v e r e a s o n i n g · m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n · b i o l o g i c a l
m o d e l i n g ·
d a n g e r m o d e l ·
r e g u l a t o r y c e l l s ·
c a n c e r i m m u n e t h e r a p y ·
a u t o i m m u n i t y · d i a b e t e s · m u l t i p l e s c l e r o s i s · t r a n s p l a n t a t i o n
E - m a i l : c l a u d i o . m a t t i u s s i @ g m a i l . c o m
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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2 C l a u d i o M a t t i u s s i
1 I n t r o d u c t i o n
I n a n i n s t a n t c l a s s i c p a p e r [ L a z e b n i k , Y . , 2 0 0 2 ] b i o l o g i s t Y u r i L a z e b n i k c o m -
m e n t s o n w h a t h e p e r c e i v e s a s s e r i o u s s h o r t c o m i n g s o f t h e a p p r o a c h e s c u r r e n t l y
a d o p t e d b y b i o l o g i s t s i n t h e i r a t t e m p t t o u n d e r s t a n d a n d x b i o l o g i c a l s y s -
t e m s . T o i d e n t i f y t h e o r i g i n s o f t h e s e l i m i t a t i o n s a n d s u g g e s t w a y s t o o v e r c o m e
t h e m L a z e b n i k c o m p a r e s t h e e e c t i v e n e s s o f t h e b i o l o g i s t ' s a p p r o a c h t o b i o -
l o g i c a l s y s t e m s t o t h e e e c t i v e n e s s o f t h e e n g i n e e r ' s a p p r o a c h t o t e c h n o l o g i c a l
s y s t e m s . L a z e b n i k a r g u e s f o r a g r e a t e r e e c t i v e n e s s o f t h e l a t t e r a n d a t t r i b u t e s
a t l e a s t i n p a r t t h i s f a c t t o t h e e n g i n e e r ' s u s e o f f o r m a l l a n g u a g e s e n d o w e d w i t h
t w o k e y p r o p e r t i e s : t h a t o f b e i n g u n a m b i g u o u s a n d t h a t o f b e i n g a m e n a b l e t o
q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s .
I n h i s p a p e r L a z e b n i k a d o p t s t h e p o i n t o f v i e w o f a p r o f e s s i o n a l b i o l o g i s t
a n d a m a t e u r e l e c t r o n i c e n g i n e e r . I n t h e p r e s e n t p a p e r I c o m p l e m e n t L a z e b -
n i k ' s i l l u m i n a t i n g a n a l y s i s f r o m t h e p e r s p e c t i v e g i v e n b y m y e x p e r i e n c e a s
p r o f e s s i o n a l e l e c t r o n i c e n g i n e e r a n d a m a t e u r b i o l o g i s t , a l b e i t w i t h s o m e q u a l i -
e d e x p e r i e n c e a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e e l d s [ F l o r e a n o , D . a n d M a t t i u s s i ,
C . , 2 0 0 8 , M a t t i u s s i , C . a n d M a r b a c h , D . a n d D ü r r , P . a n d F l o r e a n o , D . , 2 0 0 8 ] .
T o a n t i c i p a t e t h e m a i n p o i n t s o f m y a r g u m e n t , I s t a r t b y a r g u i n g t h a t
t h e f o r m a l l a n g u a g e s u s e d b y e n g i n e e r s i n t h e i r a p p r o a c h t o t h e t r o u b l e s h o o t -
i n g o f t e c h n o l o g i c a l s y s t e m s a r e r s t a n d f o r e m o s t u s e d t o s u p p o r t q u a l i t a t i v e
r e a s o n i n g a i m e d a t e x p l a i n i n g t h e w o r k i n g s o f t h e s y s t e m . T h e g e n e r a t i o n
o f a m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n i s g r e a t l y f a c i l i t a t e d b y t h e f a c t t h a t t h e t r o u -
b l e s h o o t i n g p r o c e s s i s p r o b l e m - d r i v e n a n d c o n c e r n s a s y s t e m t h a t i s k n o w n t o
h a v e b e e n d e s i g n e d f o r f u n c t i o n . I t h u s r e a s o n t h a t t h e s e a s p e c t s a r e c r u c i a l
i n t h e a t t a i n m e n t o f t h e e e c t i v e n e s s n o t i c e d b y L a z e b n i k i n t h e e n g i n e e r ' s
d i s c o u r s e a n d m u s t b e k e p t i n m i n d w h i l e a t t e m p t i n g t o r e a l i z e i n b i o l o g y a
c o m p a r a b l e l e v e l o f e e c t i v e n e s s .
1 . 1 O u t l i n e o f t h e p a p e r
M i m i c k i n g L a z e b n i k ' s p a p e r , I s t a r t i n s e c t i o n 2 b y d e s c r i b i n g a n d c o m m e n t -
i n g i n t h e r s t p e r s o n o n a n e x p e r i e n c e o f t r o u b l e s h o o t i n g o f a n e l e c t r o n i c
c i r c u i t : i n p a r t i c u l a r , s e c t i o n 2 . 1 d i s c u s s e s h o w t r y i n g t o x a s y s t e m h e l p s t o
a s s e s s t h e l e v e l o f u n d e r s t a n d i n g o f i t s f u n c t i o n a l i t y ; s e c t i o n s 2 . 2 , 2 . 3 , a n d 2 . 4
i l l u s t r a t e t h e r o l e o f f o r m a l d e s c r i p t i o n l a n g u a g e s a n d t h e i n c r e a s i n g l e v e l o f
u n d e r s t a n d i n g a t t a i n e d d u r i n g t h e s u c c e s s i v e p h a s e s o f t r o u b l e s h o o t i n g p r o -
c e s s , a n d s e c t i o n 2 . 5 s h o w s h o w s y s t e m u n d e r s t a n d i n g i s t u r n e d i n a s u c c e s s f u l
c i r c u i t r e p a i r . S e c t i o n 3 d i s t i l s t h e g e n e r a l e p i s t e m o l o g i c a l l e s s o n s t h a t c a n b e
d r a w n f r o m t h e c i r c u i t t r o u b l e s h o o t i n g e x a m p l e ; s e c t i o n 3 . 1 s t r e s s e s t h e c r u c i a l
r o l e t h a t q u a l i t a t i v e m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n s p l a y i n s y s t e m u n d e r s t a n d i n g ;
s e c t i o n 3 . 2 d e n e s a n d d i s c u s s e s t h e c o n c e p t o f m o d e l u s e d i n s c i e n c e a n d e n g i -
n e e r i n g , a n d s e c t i o n 3 . 3 e m p h a s i z e s t h e c o g n i t i o n - e x t e n d i n g p o t e n t i a l o f s u c h
m o d e l s a n d o f f o r m a l m o d e l d e s c r i p t i o n t e c h n i q u e s . S e c t i o n 4 s h o w s h o w t o
t r a n s f e r t o b i o l o g y t h e l e s s o n s l e a r n e d i n c i r c u i t t r o u b l e s h o o t i n g : s e c t i o n 4 . 1 i s
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 3
d e v o t e d t o t h e d e n i t i o n o f a m o d e l f o r t h e h u m a n i m m u n e s y s t e m ( I S ) , w i t h
s e c t i o n s 4 . 1 . 1 a n d 4 . 1 . 2 d e d i c a t e d t o t h e d e s c r i p t i o n o f e x i s t i n g I S m o d e l s a n d
t h e d i s c u s s i o n o f t h e i r s h o r t c o m i n g s , a n d s e c t i o n 4 . 1 . 3 t o t h e d e n i t i o n o f a
b r a n d n e w I S m o d e l b u i l t u p o n t h e o l d e r m o d e l s . I n s e c t i o n 4 . 2 I s h o w h o w
t h e n e w I S m o d e l l e a d s t o a n e w , o r i g i n a l s c e n a r i o f o r c a n c e r d e v e l o p m e n t ,
a n d i n s e c t i o n 4 . 3 I l i s t a f e w h i t h e r t o p u z z l i n g c a n c e r - r e l a t e d o b s e r v a t i o n s
t h a t , o n t h e c o n t r a r y , a r e p r e d i c t e d b y t h e n e w m o d e l ; i n s e c t i o n 4 . 4 I f o r m u -
l a t e n e w p r o p o s a l s f o r c a n c e r p r e v e n t i o n a n d c u r e t h a t f o l l o w f r o m t h e n e w
m o d e l , a n d i n s e c t i o n 4 . 5 I e x t e n d t h e d i s c u s s i o n t o t h e p r e v e n t i o n a n d c u r e o f
t r a n s p l a n t r e j e c t i o n a n d o f a u t o i m m u n e d i s e a s e s s u c h a s t y p e 1 d i a b e t e s a n d
m u l t i p l e s c l e r o s i s . F i n a l l y , s e c t i o n s 5 a n d 6 a r e d e v o t e d t o t h e d i s c u s s i o n o f t h e
r e l a t i o n s h i p b e t w e e n q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e m o d e l s ( w i t h s p e c i a l e m p h a -
s i s o n t h e r o l e o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s i n s e c t i o n 5 . 2 a n d t h e r o l e o f f o r m a l
d e s c r i p t i o n l a n g u a g e s i n s e c t i o n 5 . 4 ) , a n d t o t h e f o r m u l a t i o n o f s o m e c l a i m s
a b o u t t h e d e g r e e o f a p p l i c a b i l i t y a n d g e n e r a l i t y o f t h e p r o p o s e d a p p r o a c h a n d
a b o u t i t s p o t e n t i a l i m p a c t o n t h e o r e t i c a l b i o l o g y .
2 T r o u b l e s h o o t i n g a n e l e c t r o n i c c i r c u i t
O n e o f t h e b e s t w a y s t o l e a r n e l e c t r o n i c s i s t o t r y t o u n d e r s t a n d t h e w o r k i n g s
o f e l e c t r o n i c c i r c u i t s d e s i g n e d b y c a p a b l e e n g i n e e r s . T h e f u n d a m e n t a l t o o l
u s e d b y e l e c t r o n i c e n g i n e e r s t o r e p r e s e n t a c i r c u i t i s t h e c i r c u i t s c h e m a t i c
1
( F i g u r e 1 ) . I n h i s p a p e r L a z e b n i k u s e s t h e s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f e l e c -
t r o n i c c i r c u i t s a s t h e p r i m a r y e x a m p l e o f t h e u n a m b i g u o u s a n d q u a n t i t a t i v e
f o r m a l t o o l s u s e d b y e n g i n e e r s .
2 . 1 T h e i m p o r t a n c e o f x i n g
U n f o r t u n a t e l y , b y j u s t p o n d e r i n g o n a c i r c u i t s c h e m a t i c i t i s o n l y t o o e a s y
t o f a l l i n t o t h e t r a p o f b e l i e v i n g y o u h a v e u n d e r s t o o d t h e w o r k i n g s o f t h e
c i r c u i t w h e n i n f a c t y o u h a v e n o t . A n e x c e l l e n t w a y t o r e d u c e t h e p r o b a b i l i t y
o f t h i s h a p p e n i n g i s t o u s e t h e k n o w l e d g e g a i n e d f r o m t h e s c h e m a t i c t o t r y
t r o u b l e s h o o t i n g a b r o k e n e x e m p l a r o f t h e c i r c u i t . G i v e n t h e p r o p e r e q u i p m e n t ,
t h e i n a b i l i t y t o x t h e c i r c u i t i s a p r o o f t h a t y o u h a v e n o t u n d e r s t o o d h o w i t
w o r k s [ W i l l i a m s , J . , 1 9 9 5 ] . N o t e t h i s m u s t n o t b e c o n s t r u e d a s a c l a i m t h a t t h e
p r o c e s s o f t r o u b l e s h o o t i n g i s e s s e n t i a l t o c i r c u i t o r , m o r e g e n e r a l l y , t o s y s t e m
a n a l y s i s a n d u n d e r s t a n d i n g b u t o n l y t h a t , w h e n i t c o m e s i n t o p l a y , i t c a n a c t
a s a g u i d i n g t a r g e t d u r i n g t h e a n a l y s i s , a n d i t s o u t c o m e i s a u s e f u l t e s t o f t h e
l e v e l o f u n d e r s t a n d i n g e v e n t u a l l y a t t a i n e d .
M a n y y e a r s a g o I w a s a s k e d b y a f r i e n d t o t r o u b l e s h o o t t h e e l e c t r o n i c c i r -
c u i t c o n t r o l l i n g t h e e l e c t r i c a l l y a c t u a t e d b r a k e s o f a n e w l y b o u g h t c a r t r a i l e r .
A t t h e t i m e , t h e e l e c t r o n i c b r a k i n g c i r c u i t ( f r o m n o w o n s i m p l y t h e b r a k i n g
1
D e s p i t e t h e p r e s e n c e o f a f e w c i r c u i t s c h e m a t i c s n o k n o w l e d g e o f e l e c t r o n i c s i s r e q u i r e d
t o u n d e r s t a n d t h e g i s t o f t h e a r g u m e n t d e v e l o p e d i n t h e p a p e r .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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4 C l a u d i o M a t t i u s s i
F i g . 1 U n s t r u c t u r e d s c h e m a t i c . T e n t a t i v e r e c o n s t r u c t i o n o f t h e s c h e m a t i c d r a w n w h i l e
t e a r i n g a p a r t o n e o f t h e b r o k e n e x e m p l a r s o f t h e b r a k i n g c i r c u i t . T h e c i r c u i t w a s c o n n e c t e d
t o t h e c a r a n d t r a i l e r e l e c t r i c n e t w o r k v i a t h e t e r m i n a l s d r a w n o u t s i d e o f t h e d o t t e d r e c t a n g l e .
c i r c u i t ) w a s a r e c e n t i n n o v a t i o n s u b s t i t u t i n g t h e c u m b e r s o m e o v e r r u n b r a k e ,
a m e c h a n i c a l s y s t e m b a s e d o n t h e i n e r t i a o f t h e t r a i l e r p u s h i n g o n t h e d e c e l e r -
a t i n g t o w c a r [ O e r t l e , V . L . , 1 9 6 9 ] . A t r s t t h e b r a k i n g c i r c u i t w a s a b l e t o e l i c i t
f r o m t h e t r a i l e r b r a k e s a s m o o t h c o n t r i b u t i o n t o t h e d e c e l e r a t i o n e o r t , w h i c h
f e l t t o t h e d r i v e r o f t h e t o w v e h i c l e a s r o u g h l y p r o p o r t i o n a l t o t h e p r e s s u r e
e x e r t e d o n t h e b r a k e p e d a l o f t h e c a r . U n f o r t u n a t e l y , t h e o r i g i n a l s p e c i m e n o f
t h e b r a k i n g c i r c u i t h a d s t o p p e d w o r k i n g a f t e r a f e w w e e k s , a r s t r e p l a c e m e n t
s u e r e d a s i m i l a r f a t e , a n d a s e c o n d o n e f o l l o w e d s u i t s h o r t l y t h e r e a f t e r , s u g -
g e s t i n g a r e c u r r i n g f a i l u r e c a u s e d b y a b a s i c a w i n t h e d e s i g n o f t h e c i r c u i t .
T h e t h r e e e x e m p l a r s o f t h e b r a k i n g c i r c u i t e x h i b i t e d t h e s a m e f a i l u r e b e h a v i o r ,
n a m e l y , a s l i g h t p r e s s u r e o n t h e b r a k e p e d a l s u c i e n t t o e n g a g e t h e s w i t c h
t h a t a c t i v a t e s t h e b r a k e l i g h t s o f t h e c a r p r o d u c e d t h e m a x i m a l a c t i v a t i o n
a n d t h e c o n s e q u e n t l o c k o f t h e t r a i l e r b r a k e s .
2 . 2 D r a w i n g t h e s c h e m a t i c
S i n c e t h e s c h e m a t i c o f t h e b r a k i n g c i r c u i t w a s n o t a v a i l a b l e , t h e r s t t a s k w a s
t o d r a w i t o u t o f t h e b r o k e n s p e c i m e n s . T h e c o m p o n e n t s i d e o f t h e p r i n t e d
c i r c u i t b o a r d w a s c o v e r e d b y a h a r d a n d o p a q u e e p o x y r e s i n c o m p l e t e l y h i d i n g
t h e c o m p o n e n t s . R e m o v a l o f t h e r e s i n i n o r d e r t o i d e n t i f y t h e c o m p o n e n t s
r e s u l t e d i n t h e d e s t r u c t i o n o f o n e t h e c i r c u i t s p e c i m e n s b u t p e r m i t t e d t o d r a w
a c i r c u i t s c h e m a t i c l i k e t h a t s h o w n i n F i g u r e 1 .
I n f a c t , a f t e r s o m a n y y e a r s I w a s u n a b l e t o u n e a r t h t h e a c t u a l o r i g i n a l
s c h e m a t i c i n c r e m e n t a l l y d r a w n b y h a n d w h i l e r e m o v i n g o f t h e r e s i n . T h e
s c h e m a t i c o f F i g u r e 1 i s i n t e n d e d a s a t e n t a t i v e r e p l a c e m e n t o f t h a t o r i g i n a l
s c h e m a t i c , w h i c h a l m o s t c e r t a i n l y m u s t h a v e l o o k e d e v e n m o r e t a n g l e d t h a n
t h e o n e s h o w n h e r e . T h e u n a v o i d a b l e m e s s i n e s s o f t h i s r s t d r a f t i s a c o n -
s e q u e n c e o f t h e f a c t t h a t w h i l e y o u a r e t e a r i n g a p a r t t h e c i r c u i t t o i d e n t i f y
a n d a n n o t a t e t h e d e v i c e s a n d t h e i r c o n n e c t i v i t y y o u h a v e n o i d e a o f h o w t h e
c i r c u i t f u n c t i o n a l i t y i s r e a l i z e d b y w h a t y o u a r e u n r a v e l i n g . T h e r e f o r e , e x c e p t
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 5
F i g . 2 S t r u c t u r e d s c h e m a t i c . T h e s t r u c t u r e d v e r s i o n o f t h e s c h e m a t i c s h o w n i n F i g u r e 1 .
C o n t r a r y t o F i g u r e 1 , n o w t h e d i s p o s i t i o n o f t h e c o m p o n e n t s r e e c t s t h e i r r o l e i n t h e f u n c -
t i o n i n g o f t h e c i r c u i t , r o u g h l y i d e n t i e d b y t h e l a b e l e d b r a c e s a t t h e b o t t o m . C o n s e q u e n t l y ,
u s i n g t h i s s c h e m a t i c t h e c i r c u i t c a n b e e a s i l y u n d e r s t o o d a n d m e n t a l l y m a n i p u l a t e d b y
a n y o n e f a m i l i a r w i t h e l e c t r o n i c c i r c u i t s a n d t h e i r s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n .
f o r v e r y s i m p l e c i r c u i t s , y o u a r e t y p i c a l l y u n a b l e t o a r r a n g e t h e d e v i c e s i n a
w a y t h a t r e e c t s t h e i r r o l e i n t h e c i r c u i t o p e r a t i o n , a n d t h e r e s u l t i n g s c h e m a t i c
i s t o s o m e e x t e n t f u n c t i o n a l l y o p a q u e .
T h e s e c o n d s t e p c o n s i s t e d t h u s i n a n a l y z i n g t h i s r s t s c h e m a t i c i n o r d e r t o
e x p l a i n t h e w o r k i n g s o f t h e c i r c u i t a n d t h e n d r a w a n e w s c h e m a t i c e x h i b i t i n g
i n i t s s t r u c t u r e t h e n e w l y a c q u i r e d u n d e r s t a n d i n g . T h e i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e
f o r t h i s p u r p o s e w a s t h e k n o w n o v e r a l l f u n c t i o n o f t h e c i r c u i t , i . e . , t h e c o n t r o l
o f t h e t r a i l e r b r a k e s a c c o r d i n g t o t h e d e c e l e r a t i o n o f t h e t o w i n g c a r , a n d t h e
n a t u r e o f t h e s i g n a l s b r o u g h t t o t h e c i r c u i t c o n n e c t o r a s s h o w n i n t h e s c h e m a t i c
o f F i g u r e 1 .
2 . 3 S t r u c t u r i n g t h e s c h e m a t i c
L e t m e s u m m a r i z e t h e s t e p s t h a t l e d t o t h e u n r a v e l i n g o f t h e c i r c u i t w o r k i n g s .
T h e s i g n a l c o m i n g f r o m t h e b r a k e p e d a l s w i t c h o f t h e t o w i n g c a r c o n v e y s t h e
i n f o r m a t i o n t h a t t h e d r i v e r h a s p r e s s e d t h e p e d a l . H o w e v e r , t h i s s i g n a l h a s
a b i n a r y n a t u r e a n d t h u s c a r r i e s n o i n f o r m a t i o n a b o u t t h e m a g n i t u d e o f t h e
d e s i r e d b r a k i n g c o n t r i b u t i o n . C o n v e r s e l y , I k n e w t h a t t h e f u n c t i o n i n g c i r c u i t
c o u l d p r o d u c e a b r a k i n g c o n t r i b u t i o n f r o m t h e t r a i l e r b r a k e s w h i c h s o m e w h a t
r e e c t e d t h i s i n t e n d e d m a g n i t u d e . S i n c e n o n e o f t h e s i g n a l s b r o u g h t t o t h e
b r a k i n g c i r c u i t t r o u g h i t s e x t e r n a l c o n n e c t o r c a r r i e d t h i s i n f o r m a t i o n I c o n -
c l u d e d t h a t t h e c i r c u i t w a s c a p a b l e o f g e n e r a t i n g i n s o m e w a y a s e c o n d s i g n a l
e x p r e s s i n g t h i s m a g n i t u d e i n f o r m a t i o n . I n s p e c t i o n o f t h e c o m p o n e n t s c o n s t i -
t u t i n g t h e c i r c u i t r e v e a l e d a p e c u l i a r a s s e m b l y o f t h r e e e l e m e n t s ( i n d i c a t e d b y
T O R
,L A M P
a n d P R
i n t h e s c h e m a t i c o f F i g u r e 1 ) t h a t c o n s t i t u t e d a n ( i n -
g e n u o u s , a l b e i t , b y t o d a y s t a n d a r d s , r u d i m e n t a r y ) a c c e l e r o m e t e r c o n v e r t i n g
t h e a m o u n t o f d e c e l e r a t i o n e x p e r i e n c e d b y t h e b r a k i n g c i r c u i t i n t o a r e s i s -
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6 C l a u d i o M a t t i u s s i
t a n c e v a l u e . S t a r t i n g f r o m t h i s o b s e r v a t i o n i t w a s p o s s i b l e t o u n t a n g l e t h e
s c h e m a t i c o f F i g u r e 1 a n d p r o g r e s s i v e l y t r a n s f o r m i t i n t o t h e s t r u c t u r e d s c h e -
m a t i c o f F i g u r e 2 .
2 . 4 S i m p l i f y i n g t h e s c h e m a t i c
B e s i d e s e x p l a i n i n g t h e w o r k i n g s o f t h e f u n c t i o n i n g c i r c u i t i t i s a l s o n e c e s s a r y
t o v e r i f y t h a t t h e h y p o t h e s i z e d o p e r a t i o n a l m e c h a n i s m i s c o m p a t i b l e w i t h t h e
o b s e r v e d f a i l u r e b e h a v i o r . I f s u c c e s s f u l , t h i s s t e p w i l l a l s o p r o d u c e a s e r i e s o f
h y p o t h e s e s a b o u t t h e c a u s e o f t h e m a l f u n c t i o n . I n e x e c u t i n g t h i s s t e p i t i s
p r e f e r a b l e t o s t a r t b y c o n s i d e r i n g a s i m p l i e d v e r s i o n o f t h e s c h e m a t i c , w h i c h
a c c o u n t s o n l y f o r t h e m a i n f u n c t i o n a l i t y o f t h e c i r c u i t , a n d p r o c e e d t o i n c l u d e
i n t h e a n a l y s i s a d d i t i o n a l c o m p o n e n t s o n l y i f t h e s i m p l i e d s c h e m a t i c i s u n a b l e
t o a c c o u n t f o r t h e b e h a v i o r o b s e r v e d i n t h e r e a l c i r c u i t .
T h e e l e m e n t s t h a t g e n e r a t e t h e m a i n f u n c t i o n a l i t y o f t h e b r a k i n g c i r c u i t
a r e a s m a l l s u b s e t o f t h e c o m p o n e n t s t h a t a p p e a r i n t h e c i r c u i t . F i g u r e 3 i s
a n e x a m p l e o f a p o s s i b l e s i m p l i e d c i r c u i t s c h e m a t i c c a p a b l e o f c o n v e y i n g t h e
e s s e n c e o f t h e b r a k i n g c i r c u i t f u n c t i o n a l i t y ( n o t e t h a t t h i s s i m p l i e d s c h e m a t i c
w a s n e v e r a c t u a l l y d r a w n b u t j u s t i m a g i n e d w h i l e l o o k i n g a t t h e c o m p l e t e
s c h e m a t i c o f F i g u r e 2 ) . T h e s i m p l i e d s c h e m a t i c d i s r e g a r d s o r a b s t r a c t s a s
b l a c k b o x e s t h e c i r c u i t r y t h a t i s d e v o t e d t o a u x i l i a r y f u n c t i o n s . D i s r e g a r d i n g
t h a t a d d i t i o n a l c i r c u i t r y d o e s n o t i m p l y t h a t i t i s c o n s i d e r e d u s e l e s s . O n
t h e c o n t r a r y , i t i m p l i e s t a k i n g f o r g r a n t e d t h a t i t i s c o r r e c t l y p e r f o r m i n g i t s
d e s i g n e d f u n c t i o n .
2 . 5 F i x i n g t h e c i r c u i t
A s a r s t h y p o t h e s i s , I t e n t a t i v e l y a t t r i b u t e d t h e o b s e r v e d f a i l u r e t o t h e b u r n -
i n g o f t h e a c c e l e r o m e t e r l i g h t b u l b d e n o t e d i n t h e s c h e m a t i c s b y L A M P
, s e e n a s
t h e m o s t f r a g i l e c o m p o n e n t o f t h e a s s e m b l y . U s i n g t h e s c h e m a t i c o f F i g u r e 3
o n e c a n i n d e e d v e r i f y t h a t a b u r n e d l i g h t b u l b i s c o m p a t i b l e w i t h t h e o b s e r v e d
f a i l u r e m e c h a n i s m . H o w e v e r , a n a d d i t i o n a l p r e d i c t i o n c o n c e r n i n g t h e s i g n a l s
a t t h e i n p u t o f t h e a m p l i e r U 1
w e n t u n f u l l l e d . T h u s , t h e m a l f u n c t i o n i n g o f
t h e b r a k i n g c i r c u i t c o u l d n o t b e a t t r i b u t e d t o t h e b u r n i n g o f t h e l i g h t b u l b .
A s e c o n d s u s p e c t f o r t h e o b s e r v e d f a i l u r e w a s a b r o k e n a m p l i e r U 1
, w h i c h
c o u l d h a v e b e e n d a m a g e d , f o r e x a m p l e , b y a n o v e r - v o l t a g e o v e r i t s p o w e r l i n e ,
a n e v e n t f a r f r o m u n u s u a l i n a u t o m o t i v e e l e c t r i c a l c i r c u i t s . T h i s h y p o t h e s i s
i s a l s o c o m p a t i b l e w i t h t h e o b s e r v e d f a i l u r e m e c h a n i s m . M o r e o v e r , i t i s a l s o
c o m p a t i b l e w i t h t h e s i g n a l s t h a t I c o u l d m e a s u r e a t t h e i n p u t a n d o u t p u t
t e r m i n a l s o f U 1
. T o f u r t h e r t e s t t h i s h y p o t h e s i s I s u b s t i t u t e d i n o n e o f t h e
b r o k e n s p e c i m e n s t h e o r i g i n a l o p e r a t i o n a l a m p l i e r U 1
w i t h a n e w o n e a n d
a d d e d a n o v e r - v o l t a g e s u p p r e s s i o n d e v i c e . A f e w m e a s u r e m e n t s r e v e a l e d t h a t
t h e i n t e r v e n t i o n h a d i n d e e d r e s t o r e d t h e c i r c u i t t o i t s o r i g i n a l f u n c t i o n a l i t y .
T h e b r a k i n g c i r c u i t t h u s m o d i e d h a s b e e n w o r k i n g a w l e s s l y e v e r s i n c e , w h i c h
c o r r e s p o n d s t o m o r e t h a n t w o d e c a d e s o f s m o o t h o p e r a t i o n .
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 7
F i g . 3 S i m p l i e d s t r u c t u r e d s c h e m a t i c . A s i m p l i e d v e r s i o n o f t h e s c h e m a t i c s h o w n i n
F i g u r e 2 , s h o w i n g o n l y t h e c o m p o n e n t s a n d s u b - c i r c u i t s t h a t a r e e s s e n t i a l t o t h e p r o d u c t i o n
o f t h e m a i n f u n c t i o n a l i t y o f t h e b r a k i n g c i r c u i t .
3 D e c o n s t r u c t i n g t r o u b l e s h o o t i n g
L e t m e t r y t o i d e n t i f y i n w h a t I h a v e d e s c r i b e d t h e m o s t i m p o r t a n t f e a t u r e s o f
t h e t r o u b l e s h o o t i n g p r o c e s s o f a n e l e c t r o n i c c i r c u i t i n v i e w o f t h e i r a p p l i c a t i o n
t o a b i o l o g i c a l c a s e . N o t e o n c e a g a i n t h a t w h a t i s i m p o r t a n t h e r e i s t h e r o l e o f
t r o u b l e s h o o t i n g a s a g u i d i n g t a r g e t f o r t h e r e v e r s e e n g i n e e r i n g p r o c e s s a n d a s
a n o n n e g o t i a b l e m e a s u r e o f t h e l e v e l o f u n d e r s t a n d i n g o f t h e o p e r a t i o n o f t h e
s y s t e m e v e n t u a l l y a t t a i n e d , n o t t h e t r o u b l e s h o o t i n g p r o c e s s p e r s e . T h u s , t h e
o b v i o u s o b s e r v a t i o n t h a t t h e b r a k i n g c i r c u i t w a s e i t h e r p o o r l y d e s i g n e d o r w a s
d e s i g n e d h a v i n g i n m i n d t h e w r o n g s e t o f s p e c i c a t i o n s i s i m m a t e r i a l f o r t h e
a p p l i c a t i o n t o b i o l o g y o f t h e l e s s o n s l e a r n e d i n t h i s e x a m p l e o f t r o u b l e s h o o t i n g
o f a n e n g i n e e r e d s y s t e m . T h i s p o i n t i s i m p o r t a n t b e c a u s e b i o l o g i c a l s y s t e m s
a r e t h e r e s u l t o f a l o n g e v o l u t i o n a r y p r o c e s s a n d w e w o u l d n o t e x p e c t t h e m t o
b e p o o r l y d e s i g n e d o r b a d l y s p e c i e d l i k e t h e b r a k i n g c i r c u i t .
3 . 1 Q u a l i t a t i v e m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n s
T h e s t a r t i n g p o i n t i n t h e d e c o n s t r u c t i o n o f t r o u b l e s h o o t i n g i s t h e o b s e r v a t i o n
t h a t t h e b r a k i n g c i r c u i t i s a s y s t e m d e s i g n e d f o r f u n c t i o n ( r a t h e r t h a n , s a y ,
f o r a p p e a r a n c e [ F r e n c h , M . , 1 9 9 4 ] ) a n d t h a t , a t l e a s t f o r a w h i l e , i t h a s b e e n
c o r r e c t l y p e r f o r m i n g i t s i n t e n d e d f u n c t i o n . T h i s o b s e r v a t i o n j u s t i e s t h e a s -
s u m p t i o n t h a t t h e d e s i g n e r h a s r e a l i z e d a f u n c t i o n a l b e h a v i o r t h a t i s r o b u s t
r e l a t i v e l y t o a r e a s o n a b l e d e g r e e o f v a r i a t i o n o f t h e v a l u e o f t h e s y s t e m p a -
r a m e t e r s . I n t u r n , t h i s p e r m i t s t h e e x c l u s i v e u s e o f q u a l i t a t i v e r e a s o n i n g i n
t h e p r e l i m i n a r y a n a l y s i s o f t h e c i r c u i t , a s t e s t i e d b y t h e a b s e n c e o f p a r a m e t e r
v a l u e s i n t h e s c h e m a t i c s o f F i g u r e s 1 , 2 , a n d 3 . T h e g o a l o f t h i s a n a l y s i s i s t h e
p r o d u c t i o n o f a q u a l i t a t i v e m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n o f t h e c i r c u i t w o r k i n g , i . e . ,
a d e s c r i p t i o n o f h o w t h e c o m p o n e n t s t h a t c o m p o s e t h e s y s t e m a r e o r g a n i z e d
t o p r o d u c e t h e o v e r a l l f u n c t i o n a l i t y [ C r a v e r , C . F . , 2 0 0 7 ] .
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8 C l a u d i o M a t t i u s s i
T h i s d e n i t i o n o f m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n i m p l i e s t h e p r e s e n c e o f m u l t i p l e
l e v e l s o f d e s c r i p t i o n o f t h e s y s t e m u n d e r a n a l y s i s [ D a r d e n , L . , 2 0 0 7 ] . T h e
d e s c r i p t i o n t o p s o a t t h e w h o l e s y s t e m l e v e l : i n t h i s c a s e , t h e b r a k i n g c i r c u i t
w i t h i t s o v e r a l l f u n c t i o n a l i t y . F r o m t h e p o i n t o f v i e w o f a p r a g m a t i c e n g i n e e r ,
t h e n e e d t o d e s c e n d a t l e a s t o n e l e v e l i n t h e a n a l y s i s o f t h e s y s t e m e x i s t s o n l y
i f t h e s u b s t i t u t i o n o f t h e w h o l e s y s t e m w i t h a w o r k i n g o n e o f e q u i v a l e n t ( o r
i m p r o v e d ) f u n c t i o n a l i t y i s i m p r a c t i c a l . I n t u r n , a s s u m i n g t h a t t h e m a l f u n c t i o n
i s d u e t o t h e f a i l u r e o f o n e o f t h e c o m p o n e n t s a t t h a t l e v e l o f a n a l y s i s , t h e
t r o u b l e s h o o t e r c a n e i t h e r p r o c e e d t o t h e s u b s t i t u t i o n o f t h a t c o m p o n e n t o r
a n a l y z e t h e w o r k i n g o f t h a t c o m p o n e n t a s a s y s t e m o n i t s o w n . T h i s r e c u r s i v e
a n a l y s i s b o t t o m s o u t a t t h e l e v e l w h e r e t h e t r o u b l e s h o o t e r d e e m s e x p e d i e n t
t o i n t e r v e n e t o r e s t o r e t h e f u n c t i o n a l i t y o f t h e c o m p o n e n t u n d e r a n a l y s i s a n d ,
w i t h i t , t h a t o f t h e w h o l e s y s t e m . T h i s m e a n s t h a t t h e a n a l y s i s o f t h e s y s t e m
f u n c t i o n a l i t y i s a p r o b l e m - d r i v e n p r o c e s s w h e r e t h e n a t u r e o f t h e p r o b l e m a n d
t h e n a t u r e o f t h e a v a i l a b l e t r o u b l e s h o o t i n g t o o l s d i c t a t e t h e l e v e l s a t w h i c h
t h e d e s c r i p t i o n t o p s o a n d b o t t o m s o u t .
I n t h e b r a k i n g c i r c u i t e x a m p l e t h e s t r a t e g y i n i t i a l l y a d o p t e d w a s i n d e e d t h e
s u b s t i t u t i o n o f t h e w h o l e c i r c u i t c o n s i d e r e d a s a b l a c k b o x o f k n o w n f u n c t i o n -
a l i t y . H a v i n g a s c e r t a i n e d t h e l o n g t e r m f u t i l i t y o f t h i s a p p r o a c h , a n a n a l y s i s
a n d e x p l a n a t i o n o f t h e c i r c u i t w o r k i n g a t t h e c o m p o n e n t l e v e l w a s u n d e r t a k e n .
A t t h e c o m p o n e n t l e v e l , t h e m a l f u n c t i o n i n g d e v i c e U 1
w a s s u b s t i t u t e d w i t h a
n e w o n e a n d t h i s x e d t h e s y s t e m a n d s t o p p e d t h e d e s c e n t t o f u r t h e r l e v e l s
o f d e s c r i p t i o n . I n t h i s c a s e t h e o p t i o n o f d e s c e n d i n g t h e l e v e l o f d e s c r i p t i o n
f o r t h e a m p l i e r U 1
w a s o u t o f q u e s t i o n b e c a u s e U 1
w a s a n i n t e g r a t e d c i r c u i t
w h i c h , b e s i d e s b e i n g v e r y c h e a p , c a n n o t b e p r a c t i c a l l y x e d a t i t s c o m p o n e n t
l e v e l . H o w e v e r , i n t h e 1 9 6 0 s a n o p e r a t i o n a l a m p l i e r w i t h s i m i l a r f u n c t i o n a l -
i t y w o u l d h a v e b e e n a n e x p e n s i v e d i s c r e t e c i r c u i t a n d t h e c h o i c e w o u l d h a v e
c e r t a i n l y b e t o d e s c e n d a t t h e l e v e l o f d e s c r i p t i o n o f i t s c o m p o n e n t s i n o r d e r
t o x i t . I n g e n e r a l w e c a n t h u s e x p e c t t h a t t e c h n o l o g i c a l a d v a n c e s i n u e n c e
t h e c h o i c e o f t h e l e v e l a t w h i c h t o i n t e r v e n e . N o t e t h a t t h e s t r a t e g y d e s c r i b e d
a b o v e i s a d o p t e d m o r e g e n e r a l l y w h e n o n e i s n o t s a t i s e d w i t h t h e c u r r e n t
b e h a v i o r o f t h e s y s t e m a n d w a n t s t o m o d i f y i t , t h e c a s e o f a b r o k e n s y s t e m
b e i n g a p a r t i c u l a r c a s e o f u n s a t i s f y i n g b e h a v i o r .
3 . 2 M o d e l s a n d t h e o r i e s
T a k i n g i n s p i r a t i o n f r o m R u s s o [ R u s s o , L . , 2 0 0 4 ] , I c a l l m o d e l a n a b s t r a c t
s t r u c t u r e s u c h t h a t s o m e o f i t s e l e m e n t s a r e p u t i n c o r r e s p o n d e n c e b y a s e t
o f c o r r e s p o n d e n c e r u l e s w i t h s o m e o b s e r v a b l e p r o p e r t y o f a r e a l s y s t e m a n d
w h o s e e l e m e n t s c a n b e m a n i p u l a t e d t o p r o d u c e q u a l i t a t i v e o r q u a n t i t a t i v e p r e -
d i c t i o n s a b o u t t h e b e h a v i o r o f t h e r e a l s y s t e m . T h e e l e m e n t s o f t h e a b s t r a c t
s y s t e m a r e s a i d t o r e p r e s e n t t h e e l e m e n t s o f t h e r e a l s y s t e m w i t h w h i c h t h e y
a r e p u t i n c o r r e s p o n d e n c e . I t i s u n d e r s t o o d t h a t t h e c o r r e s p o n d e n c e h o l d s
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 9
o n l y w i t h i n a c e r t a i n m o d e l i n g e n v e l o p e
2
, i . e . , a r a n g e o f v a l u e s f o r t h e s y s t e m
a n d e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s . W h e n t h e p r e d i c t i o n s p r o d u c e d b y t h e m o d e l
a r e q u a n t i t a t i v e , i t i s u n d e r s t o o d t h a t e v e n w i t h i n t h e m o d e l i n g e n v e l o p e t h e
c o r r e s p o n d e n c e b e t w e e n r e p r e s e n t e d e l e m e n t s a n d t h e i r a b s t r a c t r e p r e s e n t a -
t i o n h o l d s o n l y u p t o a c e r t a i n d e g r e e o f a p p r o x i m a t i o n . I n s c i e n c e s s u c h a s
p h y s i c s , t h e e n s e m b l e c o n s t i t u t e d b y t h e a b s t r a c t s y s t e m w i t h i t s p r e d i c t i o n
r u l e s , b y t h e c o r r e s p o n d e n c e r u l e s , a n d b y t h e l i m i t a t i o n s s p e c i e d b y t h e
m o d e l i n g e n v e l o p e a n d b y t h e d e g r e e o f a p p r o x i m a t i o n s p e c i e d f o r t h e q u a n -
t i t a t i v e c o r r e s p o n d e n c e c o n s t i t u t e a s c i e n t i c t h e o r y o f t h e c o n c r e t e s y s t e m
t h a t i s m o d e l e d .
F r o m t h i s d e n i t i o n f o l l o w s t h a t p r o d u c i n g a m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n o f
t h e b r a k i n g c i r c u i t c o r r e s p o n d s t o b u i l d i n g a t h e o r y a b o u t t h e c i r c u i t w o r k -
i n g s . N o w , i t m a y s o u n d s t r a n g e t o s a y t h a t e x p l a i n i n g t h e w o r k i n g s o f a n
e n g i n e e r e d s y s t e m c o r r e s p o n d s t o b u i l d i n g a t h e o r y a b o u t t h e s y s t e m a n d i t s
f u n c t i o n a l i t y . H o w e v e r , w e m u s t k e e p i n m i n d t h a t e n g i n e e r i n g , m u c h l i k e
m e d i c i n e a n d b i o l o g y , b e l o n g s t o w h a t p h i l o s o p h e r R . G . C o l l i n g w o o d c a l l e d
t h e p r a c t i c a l s c i e n c e s o f n a t u r e , i . e . , t h e s c i e n c e s o f n a t u r e w h o s e p r i m a r y a i m
i s n o t a c h i e v e t h e o r e t i c a l k n o w l e d g e a b o u t n a t u r e b u t t o e n a b l e m a n t o e n l a r g e
h i s c o n t r o l o f n a t u r e [ C o l l i n g w o o d , R . G . , 2 0 0 2 , p p . 2 8 6 2 8 7 ] . I n o t h e r w o r d s ,
t h e t h e o r i e s o f e n g i n e e r i n g a n d b i o l o g y a r e n o t t i m e l e s s t r u t h s a b o u t n a t u r e
b u t h i s t o r i c a l l y c o n t i n g e n t t o o l s c r e a t e d t o u n d e r s t a n d , m a n i p u l a t e , a n d c o n -
t r o l p a r t i c u l a r s y s t e m s t h a t a r e t h e t r a n s i e n t r e s u l t o f a p r o c e s s o f a r t i c i a l
o r n a t u r a l e v o l u t i o n [ C r a v e r , C . F . , 2 0 0 7 ] . N o n e t h e l e s s , w e c a n c o n t i n u e t o u s e
i n e n g i n e e r i n g a n d b i o l o g y t h e t e r m m o d e l t o r e f e r t o w h a t a c c o r d i n g t o t h e
g i v e n d e n i t i o n s h o u l d b e c a l l e d t h e o r y , p r o v i d e d w e k e e p i n m i n d t h a t t h e
c o r r e s p o n d e n c e r u l e s , t h e m o d e l i n g e n v e l o p e , a n d t h e d e g r e e o f a p p r o x i m a t i o n
m u s t b e c o n s i d e r e d p a r t o f t h e l o t .
I n p h y s i c s a n d i n e n g i n e e r i n g a s y s t e m m o d e l i s b u i l t w i t h a p r a c t i c a l o r a
t h e o r e t i c a l g o a l i n m i n d . F o r e x a m p l e , i n t h e b r a k i n g c i r c u i t c a s e , t h e g o a l w a s
t h e r e c o v e r y o f t h e i n t e n d e d c i r c u i t f u n c t i o n a l i t y a n d t h e p r e v e n t i o n o f f u r t h e r
f a u l t s . I n b u i l d i n g t h e m o d e l t h e p h y s i c i s t a n d t h e e n g i n e e r w i l l t r y t o a b s t r a c t
f r o m t h e r e a l s y s t e m o n l y t h e a s p e c t s t h a t a r e r e l e v a n t t o t h e i n t e n d e d g o a l .
T h u s , a g i v e n r e a l s y s t e m a d m i t s i n g e n e r a l a p l u r a l i t y o f m o d e l s d i c t a t e d b y a
m u l t i p l i c i t y o f m o d e l i n g g o a l s . T h e r e i s n o t h i n g c o n t r a d i c t o r y i n t h e i d e a o f a
m u l t i p l i c i t y o f m o d e l s c o r r e s p o n d i n g t o a s i n g l e r e a l s y s t e m b e c a u s e a m o d e l
h a s a p u r e l y e p i s t e m i c s t a t u s , n o t a n o n t i c o n e [ M o s s , L . a n d N i c h o l s o n , D . J . ,
2 0 1 2 ] . N o t e t h a t i n d r a w i n g a s c h e m a t i c l i k e t h a t o f F i g u r e 2 w e a r e i m p l i c i t l y
a s s u m i n g t h a t e a c h c o m p o n e n t e n t e r i n g t h e s c h e m a t i c i s a c c o m p a n i e d b y a
s p e c i c a t i o n o f t h e m o d e l w e a r e a d o p t i n g f o r t h a t c o m p o n e n t .
2
I p r o p o s e t h e t e r m m o d e l i n g e n v e l o p e f o r t h e r a n g e o f c o n d i t i o n s w h e r e t h e c o r r e s p o n -
d e n c e r u l e s h o l d w i t h t h e s t i p u l a t e d a c c u r a c y , t a k i n g i n s p i r a t i o n f r o m t h e t e r m o p e r a t i o n a l
e n v e l o p e u s e d i n e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g t o r e f e r t o t h e r a n g e o f c o n d i t i o n s w h e r e a c i r c u i t
c o m p l i e s w i t h t h e s t i p u l a t e d s p e c i c a t i o n s .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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1 0 C l a u d i o M a t t i u s s i
3 . 3 C o g n i t i v e a r t i f a c t s a n d c o m p u t a t i o n a l m o d e l s
C i r c u i t s c h e m a t i c s l i k e t h o s e o f F i g u r e s 1 a n d 2 m i g h t b e c o n s t r u e d a s m e r e
r e c o r d s o f t h e c o m p o n e n t s t h a t c o m p o s e t h e b r a k i n g c i r c u i t a l o n g w i t h t h e i r
c o n n e c t i v i t y . H o w e v e r , f r o m t h a t p o i n t o f v i e w t h e s c h e m a t i c o f F i g u r e 1 a n d
t h a t o f F i g u r e 2 a r e e q u i v a l e n t , w h e r e a s I h a v e a r g u e d a b o v e t h a t f o r t h e e x p e r t
e n g i n e e r t h e y a r e q u i t e d i e r e n t i n t e r m s o f e x p r e s s i v e n e s s . T h i s f a c t s u g g e s t s
t h e s c h e m a t i c - a s - a - m e r e - r e c o r d i n t e r p r e t a t i o n i s t o o r e s t r i c t i v e . A s u i t a b l y
d r a w n s c h e m a t i c i s b e t t e r c o n s t r u e d a s a c o g n i t i v e a r t i f a c t [ N o r m a n , D . A . ,
1 9 9 1 ] , i . e . , a n a r t i f a c t t h a t i f p r o p e r l y u s e d g u i d e s , s u p p o r t s , e n h a n c e s , o r
e x t e n d s t h e c o g n i t i v e f u n c t i o n s o f t h e h u m a n m i n d [ C l a r k , A . , 2 0 0 8 ] .
B y r e v e a l i n g t o t h e e x p e r t e n g i n e e r t h e c a u s a l s t r u c t u r e o f t h e c i r c u i t
f u n c t i o n a l i t y , a s c h e m a t i c l i k e t h a t o f F i g u r e 2 f a c i l i t a t e s t h e e m e r g e n c e o f
t h e m e c h a n i c a l e x p l a n a t i o n o f t h e c i r c u i t b e h a v i o r a n d p e r m i t s t h e ( t y p i c a l l y
q u a l i t a t i v e ) m o d e l - b a s e d m e n t a l s i m u l a t i o n o f c i r c u i t o p e r a t i o n . N o t e t h a t , o n
t h e o n e h a n d , a n a r t i f a c t s u c h a s t h e w e l l - s t r u c t u r e d s c h e m a t i c o f F i g u r e 2
i s n o t b y i t s e l f a c o g n i t i v e a r t i f a c t ; i t b e c o m e s o n e o n l y i n t h e c o n t e x t o f t h e
e x t e n d e d c o g n i t i v e s y s t e m c o m p o s e d b y b o t h t h e m i n d o f t h e t r a i n e d e l e c t r o n i c
e n g i n e e r a n d t h e s c h e m a t i c [ N e r s e s s i a n , N . , 2 0 0 8 ] . O n t h e o t h e r h a n d , a p o o r l y
d r a w n s c h e m a t i c l i k e t h a t o f F i g u r e 1 d o e s n o t t u r n i n t o a c o g n i t i v e a r t i f a c t
b y t h e m e r e v i r t u e o f b e i n g e x a m i n e d b y a n e x p e r t e n g i n e e r . S u m m i n g u p ,
w h e n p r o p e r l y u s e d t h e d i s c i p l i n e o f c i r c u i t s c h e m a t i c s p l a y s n o t o n l y t h e r o l e
o f u n a m b i g u o u s f o r m a l d e s c r i p t i o n l a n g u a g e s u p p o r t i n g q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s
s i g n a l e d b y L a z e b n i k [ L a z e b n i k , Y . , 2 0 0 2 ] , b u t p l a y s a l s o t h e r o l e o f a p o w e r -
f u l t o o l a o r d i n g m o d e l - b a s e d m e n t a l s i m u l a t i o n a n d q u a l i t a t i v e r e a s o n i n g . I n
t h e c o n t e x t o f t r o u b l e s h o o t i n g , a m o d e l m u s t r s t a n d f o r e m o s t s u p p o r t t h e
g e n e r a t i o n o f q u a l i t a t i v e p r e d i c t i o n s a b o u t t h e n o r m a l a n d f a u l t y b e h a v i o r o f
t h e s y s t e m t h a t a r e f u n c t i o n a l t o t h e f o r m u l a t i o n o f a r e p a i r s t r a t e g y .
T h e n a l p h a s e s o f t h e t r o u b l e s h o o t i n g p r o c e s s t y p i c a l l y r e q u i r e a m o d i c u m
o f q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s . I f t h e x c o n s i s t s o n l y i n t h e s u b s t i t u t i o n o f a b r o k e n
c o m p o n e n t t h e q u a n t i t a t i v e a s p e c t i s e s s e n t i a l l y a c h e c k o f t h e c o m p a t i b i l i t y o f
t h e s u b s t i t u t e d c o m p o n e n t s w i t h t h e o r i g i n a l o n e s . T h e a m o u n t o f q u a n t i t a -
t i v e a n a l y s i s i n c r e a s e s w h e n w h a t i s r e q u i r e d i s a c h a n g e o f f u n c t i o n a l i t y o r a n
i m p r o v e m e n t i n s o m e s p e c i c a t i o n , a n d c a n b e c o m e s u b s t a n t i a l w h e n a c i r c u i t
i s d e s i g n e d f r o m s c r a t c h . N o n e t h e l e s s , t h e a m o u n t o f q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s i s
s t i l l s u r p r i s i n g l y s m a l l i n t h e i n i t i a l p h a s e s o f a n e w d e s i g n , w h e n t h e e n g i -
n e e r t y p i c a l l y c o m b i n e s a f e w b a c k - o f - t h e - e n v e l o p e c a l c u l a t i o n s w i t h a r o b u s t
q u a l i t a t i v e a p p r e c i a t i o n o f t h e c o m p o n e n t s a n d s t a n d a r d s u b - c i r c u i t s n e e d e d
t o p r o d u c e t h e i n t e n d e d o v e r a l l f u n c t i o n a l i t y [ G i l b e r t , B . , 1 9 9 1 ] . I t i s o n l y
i n t h e n a l p h a s e s o f a d e s i g n t h a t t h e a n a l y s i s b e c o m e s f r a n k l y q u a n t i t a t i v e
a n d m a k e s u s e o f c o m p u t e r s a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , f o r e x a m p l e , i n o r d e r
t o o p t i m i z e t h e v a l u e s o f t h e p a r a m e t e r s o f t h e c i r c u i t e l e m e n t s a c c o r d i n g t o
s o m e p r e d e n e d g o a l .
I n t e r e s t i n g l y , i t w a s o b s e r v e d t h a t e v e n i n s y s t e m s c o m p o s e d b y e l e m e n t s
t h a t o p e r a t e i n p a r a l l e l , m o d e l - b a s e d m e n t a l s i m u l a t i o n p r o c e e d s s e q u e n t i a l l y
a l o n g t h e c h a i n o f d i r e c t c a u s a t i o n r e v e a l e d b y t h e m o d e l [ N e r s e s s i a n , N . ,
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 1 1
2 0 0 8 ] .
3
O n t h e c o n t r a r y , c o m p u t e r - b a s e d s i m u l a t i o n o f s y s t e m s i s t y p i c a l l y
b a s e d o n t h e n u m e r i c a l i n t e g r a t i o n o f s y s t e m s o f a l g e b r a i c a n d d i e r e n t i a l
e q u a t i o n s a n d p r o c e e d s i n p a r a l l e l f o r a l l t h e c o m p o n e n t s o f t h e s y s t e m . N o t e
a l s o t h a t t h e u n s t r u c t u r e d s c h e m a t i c o f F i g u r e 1 a n d t h e s t r u c t u r e d o n e o f
F i g u r e 2 a r e e q u i v a l e n t w h e n i t c o m e s t o s e t u p a n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f t h e
c i r c u i t . T h e s e o b s e r v a t i o n s s u g g e s t t h a t a c o m p u t a t i o n a l m o d e l , n o m a t t e r
h o w d e t a i l e d a n d a c c u r a t e , i s u n a b l e b y i t s e l f t o c o n t r i b u t e m u c h t o t h e e x p l a -
n a t i o n o f t h e c i r c u i t b e h a v i o r . R i c h a r d H a m m i n g n o t o r i o u s l y o b s e r v e d t h a t :
T h e p u r p o s e o f c o m p u t i n g i s i n s i g h t , n o t n u m b e r s [ H a m m i n g , R . W . , 1 9 6 2 ] .
W h a t p r e c e d e s s u g g e s t s t h a t f o r a l l b u t t h e s i m p l e s t s y s t e m s , i n s i g h t f r o m
c o m p u t a t i o n c a n b e a t t a i n e d o n l y v i a a p r e l i m i n a r y m o d e l - b a s e d q u a l i t a t i v e
r e a s o n i n g , p o s s i b l y b u t t r e s s e d b y s u i t a b l e c o g n i t i v e a r t i f a c t s .
S u m m i n g u p , c o n t r a r y t o t h e l a y m a n ' s l o r e a c c o r d i n g t o w h i c h e n g i n e e r s a r e
m a i n l y f o c u s e d o n n u m b e r s a n d q u a n t i t i e s , i n e n g i n e e r i n g q u a l i t a t i v e r e a s o n i n g
a l w a y s p r e c e d e s , n o u r i s h e s , a n d a u t h o r i z e s q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s . M o r e o v e r ,
a p a r t f r o m v e r y s i m p l e o r f a m i l i a r s y s t e m s , t h e p o w e r o f t h e u n a i d e d m i n d i s
o f t e n i n a d e q u a t e t o p e r f o r m t h e r e q u i r e d q u a l i t a t i v e r e a s o n i n g . T h e c r e a t i o n
o f q u a l i t a t i v e m o d e l s a n d t h e i r e m b o d i m e n t a s c o g n i t i v e a r t i f a c t s m e d i a t e d b y
s u i t a b l e f o r m a l l a n g u a g e s i s i n t h e s e c a s e s e s s e n t i a l f o r t h e u n d e r s t a n d i n g a n d
t r o u b l e s h o o t i n g o f c o m p l e x t e c h n o l o g i c a l s y s t e m s .
4 T r o u b l e s h o o t i n g t h e i m m u n e s y s t e m
H a v i n g d i s t i l l e d t h e p r i n c i p l e s t h a t g o v e r n t h e u n d e r s t a n d i n g a n d t r o u b l e s h o o t -
i n g o f t e c h n o l o g i c a l a r t i f a c t s i t i s n o w t i m e t o a d d r e s s t h e q u e s t i o n i f t h e s a m e
o r v e r y s i m i l a r p r i n c i p l e s a l s o a p p l y t o b i o l o g i c a l s y s t e m s . S o m e a u t h o r s h a v e
r m l y m a i n t a i n e d t h a t t h i s i s i n d e e d t h e c a s e ( e . g . [ B e r n a r d , C . , 1 8 6 5 , P l a t t ,
J . R . , 1 9 6 4 ] ) w h e r e a s o t h e r a u t h o r s h a v e a r g u e d a g a i n s t t h i s v i e w ( e . g . [ M a d a r ,
S . a n d G o l d s t e i n , I . a n d R o t t e r , V . , 2 0 0 9 ] ) . A s t h i s d i s a g r e e m e n t c a n n o t b e
r e c o n c i l e d m e r e l y b y c r y i n g l o u d e r , t h e b e s t s t r a t e g y t o s u p p o r t t h e r s t v i e w
i s t o s h o w h o w t h e s e p r i n c i p l e s c a n b e f r u i t f u l l y a p p l i e d t o s o m e n o n - t r i v i a l
e x a m p l e s o f b i o l o g i c a l s y s t e m u n d e r s t a n d i n g a n d t r o u b l e s h o o t i n g .
T h e b i o l o g i c a l s y s t e m t h a t I w i l l c o n s i d e r i s t h e h u m a n i m m u n e s y s t e m
( I S ) . A c c o r d i n g t o t h e s t r a t e g y u s e d i n t h e t r o u b l e s h o o t i n g o f t h e b r a k i n g
c i r c u i t , t h e s t a r t i n g p o i n t i s t h e d e n i t i o n o f t h e o v e r a l l f u n c t i o n r e a l i z e d b y
t h i s b i o l o g i c a l s y s t e m . T h e I S h a s i n f a c t a t l e a s t t w o m a i n r e l a t e d f u n c t i o n s .
3
S o m e l i n g u i s t s c o n s i d e r l a n g u a g e a s a c o g n i t i v e a r t i f a c t t h a t , b y i m p o s i n g s e q u e n t i a l -
i t y , f o s t e r s t h e a p p e a r a n c e o f a m o r e a r t i c u l a t e , a n a l y t i c , a n d h i e r a r c h i c a l f o r m o f t h o u g h t
r e l a t i v e l y t o n o n - l i n g u i s t i c f o r m s . F o r e x a m p l e , t a k i n g i n s p i r a t i o n f o r m t h e 1 8 t h c e n t u r y
p h i l o s o p h e r C o n d i l l a c , l i n g u i s t R a a e l e S i m o n e d i s t i n g u i s h e s a s i m u l t a n e o u s a n d a s e q u e n -
t i a l f o r m o f i n t e l l i g e n c e . I n h i s w o r d s , s i g n s a r e r e s p o n s i b l e f o r a r e a l c o g n i t i v e r e v o l u t i o n
i n m a n , f o r t h e y p e r m i t t h e t r a n s i t i o n f r o m a m e r e l y s i m u l t a n e o u s t h i n k i n g t o a s e q u e n t i a l
r e p r e s e n t a t i o n o f i d e a s . . . . T h e t h u s g a i n e d s u c c e s s i v i t y o f i d e a s e n h a n c e s t h e d e v e l o p m e n t
o f a l l t h e o p e r a t i o n s o f m i n d a n d i n t r o d u c e s a q u i t e n e w p r i n c i p l e o f t h i n k i n g . [ S i m o n e , R . ,
1 9 8 7 , p . 6 8 ]
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1 2 C l a u d i o M a t t i u s s i
T h e r s t i s t o p r o t e c t i t s o w n e r t h e h o s t f r o m e x p l o i t a t i o n a n d d a m a g e
i n i c t e d b y r o g u e c e l l s a n d b y o r g a n i s m s t h e p a t h o g e n s t h a t , i n v i r t u e
o f t h e i r s m a l l s i z e , h a v e t h e p o t e n t i a l t o e v o l v e a t a m u c h f a s t e r p a c e t h a n
t h e h o s t . T h e s e c o n d f u n c t i o n o f t h e I S i s t h e m a n a g e m e n t o f t h e o p e r a t i o n s
o f t i s s u e h e a l i n g a n d r e g e n e r a t i o n t h a t a r e r e q u i r e d t o r e p a i r t h e d a m a g e
p r o v o k e d b y a t r a u m a , b y a p a t h o g e n , o r b y t h e I S i t s e l f w h i l e g h t i n g a
p a t h o g e n . N o t e t h a t i f t h e o v e r a l l f u n c t i o n o f t h e s y s t e m w a s o n l y p a r t i a l l y
k n o w n , w e c o u l d s t a r t w i t h a g u e s s a n d t h e n r e n e t h e g u e s s a c c o r d i n g t o t h e
o b s e r v a t i o n s .
T h e r s t e x a m p l e o f a p p a r e n t m a l f u n c t i o n t h a t I w i l l c o n s i d e r i s t h e p r e s -
e n c e o f p r o g r e s s i n g c a n c e r , t h a t i s , o f u n c o n t r o l l e d c e l l u l a r p r o l i f e r a t i o n t h a t
d a m a g e s t h e h o s t b u t n e v e r t h e l e s s d o e s n o t s e e m t o b e r e s t r a i n e d b y t h e I S .
T h e r s t s t e p o f t h e t r o u b l e s h o o t i n g p r o c e s s i s t h e i d e n t i c a t i o n o f t h e l e v e l
o f o r g a n i z a t i o n a t w h i c h t h e i n t e r v e n t i o n w i l l t a k e p l a c e . A t t h e t o p m o s t l e v e l
t h e r e i s t h e I S ; t h u s , w e m u s t a s k i f t h e s u b s t i t u t i o n o f t h e w h o l e I S i s p o s s i b l e
a n d d e s i r a b l e . I n d e e d , t h e e x e c u t i o n o f a b o n e m a r r o w t r a n s p l a n t a f t e r t o t a l
b o d y i r r a d i a t i o n c a n b e s e e n a s a n a t t e m p t a t r e a l i z i n g t h i s s u b s t i t u t i o n . H o w -
e v e r , t h e c o m p l i c a t i o n s a s s o c i a t e d w i t h t h i s p r o c e d u r e m a k e i t t h e p r e f e r r e d
c h o i c e o n l y i n a v e r y l i m i t e d n u m b e r o f c a s e s . T h i s m e a n s t h a t i t i s p r e f e r -
a b l e t o d e s c e n d a t l e a s t a t t h e n e x t l o w e r l e v e l t o e x a m i n e t h e p o s s i b i l i t y o f
i n t e r v e n t i o n . T h i s i m p l i e s d e n i n g a m o d e l f o r t h e I S a t i t s c o m p o n e n t l e v e l .
4 . 1 A d o p t i n g a m o d e l f o r t h e i m m u n e s y s t e m
I n d e s c r i b i n g m o d e l s f o r t h e I S i n t h e p r e s e n c e o f c a n c e r I w i l l t a k e f o r g r a n t e d
a k n o w l e d g e o f t h e e l e m e n t s t h a t c o m p o s e t h e h u m a n I S a n d o f t h e i r n o m e n -
c l a t u r e a s c a n b e d e r i v e d f r o m a m o d e r n t e x t b o o k s u c h a s [ A b b a s , A . K . a n d
L i c h t m a n , A . H . a n d P i l l a i , S . , 2 0 1 2 ] . T h e I S e l e m e n t s w i l l b e n a m e d a c c o r d -
i n g t o t h e i r f u n c t i o n a l r a t h e r t h a n p h e n o t y p i c c h a r a c t e r i z a t i o n . F o r e x a m p l e ,
I w i l l r e f e r t o a r e g u l a t o r y T c e l l r a t h e r t h a n t o , s a y , a C D 2 5 + F O X 3 + T c e l l .
N o t e t h a t t h e e l e m e n t s o f t h e m o d e l s d e s c r i b e d b e l o w m u s t n o t b e c o n f u s e d
w i t h t h e r e a l t h i n g ; f o r e x a m p l e , a T c e l l i n o n e o f t h e m o d e l s i s a n a b s t r a c -
t i o n t h a t d i s r e g a r d s m a n y p r o p e r t i e s o f t h e b i o l o g i c a l e l e m e n t s i t r e p r e s e n t s .
A c o m m o n a s s u m p t i o n o f a l l t h e m o d e l s d i s c u s s e d b e l o w i s t h e e x i s t e n c e o f
t u m o r - s p e c i c a n t i g e n s ( T S A ) [ S c h r e i b e r , R . D . a n d O l d , L . J . a n d S m y t h , M . J . ,
2 0 1 1 ] a n d t h e p r e s e n t a t i o n o f t h e i r e p i t o p e s o n m a j o r h i s t o c o m p a t i b i l i t y c o m -
p l e x ( M H C ) m o l e c u l e s . I n o t h e r w o r d s i t i s a s s u m e d t h a t t h e t u m o r c e l l s
c a n n o t m a n a g e t o b e c o m e i n v i s i b l e t o t h e I S . I w i l l b r i e y d i s c u s s b e l o w
w h a t h a p p e n s i f t h i s h y p o t h e s i s i s d r o p p e d .
4 . 1 . 1 T h e s e l f / n o n s e l f m o d e l ( S N M ) .
T o w a r m u p t o b i o l o g i c a l s y s t e m m o d e l i n g l e t u s b e g i n w i t h a s i m p l e a n d a d -
m i t t e d l y o u t d a t e d m o d e l o f t h e I S : t h e s e l f / n o n s e l f m o d e l ( S N M ) . T h e S N M
w a s o n e o f t h e r s t m o d e l s p r o p o s e d f o r t h e I S a n d i s b a s e d o n t h e a s s u m p t i o n
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 1 3
t h a t e a r l y i n l i f e t h e I S g e t s r i d o f a l l t h e i m m u n e e e c t o r s t h a t r e c o g n i z e a n t i -
g e n s p r e s e n t i n t h e t h y m u s , w h i c h d e n e t h e s e l f [ M e d z h i t o v , R . a n d J a n e w a y ,
C . A . , J r . , 2 0 0 2 ] . A c c o r d i n g t o t h e S N M , o n c e t h i s d e l e t i o n p h a s e i s t e r m i n a t e d
t h e I S i s l i c e n s e d t o a t t a c k a n y e l e m e n t t h a t i t r e c o g n i z e s , o n t h e h y p o t h e s i s
t h a t i t m u s t n e c e s s a r i l y b e n o n s e l f .
T o v e r i f y t h e a d e q u a c y o f t h i s t h e o r y f o r t h e t r o u b l e s h o o t i n g t a s k a t h a n d
w e n e e d t o c o m p a r e i t s p r e d i c t i o n s w i t h a s e t o f r e l e v a n t o b s e r v a t i o n s . M a t z i n -
g e r [ M a t z i n g e r , P . , 2 0 0 2 ] m a d e t h i s c o m p a r i s o n n o t o n l y f o r t h e o r i g i n a l S N M
b u t a l s o f o r i t s m o r e r e c e n t v e r s i o n s a n d f o u n d t h a t t h e S N M i s i n d e e d i n a d e -
q u a t e a s i t s p r e d i c t i o n s d i s a g r e e w i t h t h e o b s e r v a t i o n s i n m a n y c r u c i a l r e s p e c t s .
F r o m o u r p e r s p e c t i v e t h e m a i n s h o r t c o m i n g i s t h a t t h e S N M i s i n c o m p a t i b l e
w i t h t h e p r e s e n c e o f c a n c e r i n a n i m m u n o c o m p e t e n t i n d i v i d u a l . T h e r e a s o n i s
t h a t c a n c e r o u s c e l l s p r e s e n t o n t h e i r s u r f a c e T S A t h a t a r e t h e r e s u l t o f r e c e n t
g e n o m e m u t a t i o n s a n d c o n s e q u e n t l y c o u l d n o t h a v e b e e n p r e s e n t d u r i n g t h e
e a r l y d e l e t i o n p h a s e .
4 . 1 . 2 T h e d a n g e r m o d e l ( D M ) .
T o o b v i a t e t o t h e s h o r t c o m i n g s o f t h e S N M , M a t z i n g e r a n d F u c h s p r o p o s e d a
n e w I S m o d e l : t h e d a n g e r m o d e l ( D M ) [ F u c h s , E . J . a n d M a t z i n g e r , P . , 1 9 9 6 ] .
T h e D M i s b u i l t o n t o p o f t h e S N M b u t d i e r s f r o m i t i n a c r u c i a l a s p e c t :
i t a s s u m e s t h a t t h e a c t i v a t i o n o f t h e i m m u n e e e c t o r s r e q u i r e s t h e p r e s e n c e
o f d a n g e r s i g n a l s . T h e s e s i g n a l s c a n b e e i t h e r m o l e c u l a r p a t t e r n s a s s o c i a t e d
w i t h k n o w n p a t h o g e n s , c h e m i c a l s p r o d u c e d b y s t r e s s e d h o s t c e l l s , o r m o l e c u l a r
p a t t e r n s a s s o c i a t e d w i t h t h e n o n - p r o g r a m m e d d e a t h o f h o s t c e l l s [ M a t z i n g e r ,
P . a n d K a m a l a , T . , 2 0 1 1 , G a l l u c c i , S . a n d M a t z i n g e r , P . , 2 0 0 1 ] .
T o i m p l e m e n t t h i s p o l i c y , t h e I S h a s a s e t o f p r o f e s s i o n a l a n t i g e n p r e s e n t i n g
c e l l s ( A P C ) i n p a r t i c u l a r d e n d r i t i c c e l l s a n d , w h e n a n t i g e n i s l i m i t i n g , B c e l l s
t h a t p o s s e s s s u r f a c e r e c e p t o r s c a p a b l e o f s e n s i n g a v a s t r e p e r t o i r e o f d a n g e r
s i g n a l s . I n t h e a b s e n c e o f d a n g e r s i g n a l s ( a s i t u a t i o n c a l l e d t h e s t e a d y s t a t e )
a n A P C r e m a i n s i n a n i n a c t i v e s t a t e a n d p a t r o l s t h e h o s t t i s s u e s , e n g u l f s a t
a l e i s u r e l y p a c e a n t i g e n s i n i t s s u r r o u n d i n g m e d i u m , p r o c e s s e s a n d d i s p l a y s
t h e c a p t u r e d a n t i g e n s o n M H C - I I m o l e c u l e s , a n d h o m e s p e r i o d i c a l l y t o t h e
d r a i n i n g l y m p h n o d e s t o p r e s e n t t h e c a p t u r e d a n t i g e n s t o h e l p e r T c e l l s ( T
h
) .
I f a T c e l l r e c o g n i z e s w i t h i t s T c e l l r e c e p t o r t h e a n t i g e n p r e s e n t e d b y a n
i n a c t i v e A P C i t i s e i t h e r i n s t r u c t e d b y t h e A P C t o d i e b y a p o p t o s i s o r i s
a n e r g i z e d . T h i s i s d o n e o n t h e p r e s u p p o s i t i o n t h a t t h i s T c e l l i s p o t e n t i a l l y
r e a c t i v e a g a i n s t h o s t t i s s u e s a n d c o m m e n s a l o r g a n i s m s [ L a t h r o p , S . K . a n d
B l o o m , S . M . a n d R a o , S . M . a n d N u t s c h , K . a n d L i o , C . - W . e t a l . , 2 0 1 1 ] .
T h i s d e l e t i o n o f T c e l l s p e r f o r m e d o u t s i d e o f t h e t h y m u s r e a l i z e s a p e r i p h e r a l
t o l e r a n c e t h a t c o m p l e m e n t s t h e c e n t r a l t o l e r a n c e r e a l i z e d i n t h e t h y m u s , a
m e c h a n i s m t h a t t h e D M i n h e r i t s f r o m t h e S N M .
W h e n a n A P C s e n s e s a d a n g e r s i g n a l i t s w i t c h e s t o a n a c t i v e s t a t e , i n -
c r e a s e s i s r a t e o f c a p t u r e o f a n t i g e n s p r e s e n t l o c a l l y , p r o c e s s e s a n d d i s p l a y s
t h e c a p t u r e d a n t i g e n o n M H C - I I m o l e c u l e s , a n d h o m e s t o t h e d r a i n i n g l y m p h
n o d e t o p r e s e n t t h e c a p t u r e d a n t i g e n s t o T
h
c e l l s . A c c o r d i n g t o t h e D M , i f a
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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1 4 C l a u d i o M a t t i u s s i
T
h
c e l l r e c o g n i z e s w i t h i t s T c e l l r e c e p t o r t h e a n t i g e n p r e s e n t e d b y a n a c t i v e
A P C i t i s a c t i v a t e d b y a c o - s t i m u l a t o r y s i g n a l d e l i v e r e d b y t h e A P C . B e y o n d
d a n g e r s i g n a l s , a n A P C i s a l s o a b l e t o s e n s e a n d p r o c e s s a d d i t i o n a l c u e s p r o -
d u c e d b y t h e h o s t t i s s u e s i n o r d e r t o e s t a b l i s h t h e k i n d o f i m m u n e r e s p o n s e
t h a t i s b e s t s u i t e d i n t h e c o n t e x t o f t h a t t i s s u e [ M a t z i n g e r , P . a n d K a m a l a ,
T . , 2 0 1 1 ] . I f a h u m o r a l i m m u n e r e s p o n s e i s c a l l e d f o r , t h e T
h
c e l l i s i n s t r u c t e d
t o a c t i v a t e t h e B c e l l s t h a t d i s p l a y o n t h e i r M H C - I I m o l e c u l e s i t s c o g n a t e
a n t i g e n . I f a c e l l u l a r i m m u n e r e s p o n s e i s t o b e p r e f e r r e d , t h e T
h
l i c e n s e s t h e
A P C t o c r o s s - p r e s e n t t h e c a p t u r e d a n t i g e n s o n M H C - I m o l e c u l e s a n d a c t i v a t e
c y t o t o x i c T c e l l s ( T
c
) t h a t r e c o g n i z e t h e p r e s e n t e d a n t i g e n s w i t h t h e i r T c e l l
r e c e p t o r [ K u r t s , C . a n d R o b i n s o n , B . W . S . a n d K n o l l e , P . A . , 2 0 1 0 ] . A m i x o f
c e l l u l a r a n d h u m o r a l i m m u n i t y a c t i v a t i o n c a n a l s o b e i m a g i n e d .
M u c h m o r e d e t a i l a b o u t t h e D M c a n b e f o u n d i n M a t z i n g e r ' s o r i g i n a l
p a p e r s ( e . g . , [ M a t z i n g e r , P . , 2 0 0 2 , M a t z i n g e r , P . a n d K a m a l a , T . , 2 0 1 1 ] ) a n d
p r e s e n t e d e x a c t l y f r o m t h e e n g i n e e r i n g v i e w p o i n t a d o p t e d i n t h i s p a p e r i n
c h a p t e r 5 o f [ F l o r e a n o , D . a n d M a t t i u s s i , C . , 2 0 0 8 ] . I n p a r t i c u l a r , M a t z i n g e r
e x p l a i n s t h e p r e s e n c e o f p r o g r e s s i n g c a n c e r a s f o l l o w s . W h e n t h e t u m o r s t a r t s
t o g r o w i t d o e s n o t p r o d u c e d a n g e r s i g n a l s . T h u s , i t h a s t h e o p p o r t u n i t y t o
t o l e r i z e t h e I S t o t h e T S A b y d e l e t i o n o r a n e r g y o f t h e T S A - s p e c i c T c e l l s ( I
d e n o t e t h e m a s
T S A
T c e l l s ) . A t a c e r t a i n p o i n t t h e g r o w i n g t u m o r w i l l s t a r t
t o p r o d u c e d a n g e r s i g n a l s c a u s e d , f o r e x a m p l e , b y t h e h y p o x i a o f t u m o r c e l l s
t h a t a r e t o o d i s t a n t f r o m t h e c a p i l l a r i e s t o o b t a i n o x y g e n b y d i u s i o n . T h e s e
s i g n a l s w o u l d n a l l y a c t i v a t e t h e A P C , b u t t h e s e w o u l d n o t n d a n y T c e l l s t o
a c t i v a t e s i n c e t h e y w o u l d h a v e b e e n d e l e t e d o r a n e r g i z e d i n t h e p r e v i o u s p h a s e .
G i v e n t h i s p r e d i c t i o n f o l l o w i n g f r o m t h e D M , o n e w o u l d n o t e x p e c t t o n d i n
t h e t u m o r m a s s a n y n o n - a n e r g i z e d
T S A
T c e l l . O n t h e c o n t r a r y , a p o p u l a t i o n
o f
T S A
T c e l l s i s t y p i c a l l y o b s e r v e d a m o n g t h e t u m o r - i n l t r a t i n g l y m p h o c y t e s
a n d t h e s e c e l l s , f a r f r o m b e i n g a n e r g i z e d , e x e r t a d e n i t e i m m u n o s u p p r e s s i v e
a c t i o n [ F r i d m a n , W . H . a n d P a g è s , F . a n d S a u t è s - F r i d m a n , C . a n d G a l o n , J . ,
2 0 1 2 ] .
4 . 1 . 3 T h e d a n g e r m o d e l w i t h r e g u l a t o r y c e l l s ( D M R ) .
T h e T c e l l s w i t h s u p p r e s s i v e a c t i v i t y t h a t a r e o b s e r v e d a m o n g t h e t u m o r -
i n l t r a t i n g l y m p h o c y t e s a r e c a l l e d r e g u l a t o r y T c e l l s ( T
r e g
) [ S a k a g u c h i , S . a n d
Y a m a g u c h i , T . a n d N o m u r a , T . a n d O n o , M . , 2 0 0 8 ] . T h e i r e x i s t e n c e a n d
f u n c t i o n w a s h y p o t h e s i z e d s e v e r a l d e c a d e s a g o , o n t h e b a s i s o f t h e o b s e r v a t i o n
t h a t T c e l l s c o u l d n o t o n l y e n h a n c e b u t a l s o a t t e n u a t e t h e i m m u n e r e s p o n s e .
H o w e v e r , t h e a c t u a l e x i s t e n c e o f w h a t w a s t h e n t e n t a t i v e l y c a l l e d s u p p r e s s o r
T c e l l s r e m a i n e d c o n t r o v e r s i a l f o r l a c k o f r e l i a b l e p h e n o t y p i c m a r k e r s a n d f o r
t h e e x p e r i m e n t a l d e m i s e o f t h e p u t a t i v e m o l e c u l a r m e c h a n i s m s o f a c t i o n [ f o r
d e t a i l s , s e e S a k a g u c h i , S . , 2 0 1 1 , a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n ] u n t i l , q u i t e r e c e n t l y ,
t h e y c o u l d b e e v e n t u a l l y i d e n t i e d p h e n o t y p i c a l l y [ S a k a g u c h i , S . , 2 0 0 5 ] . T
r e g
w i t h t h e p h e n o t y p i c m a r k e r s o f T
h
, T
c
, a n d N K T c e l l s h a v e b e e n o b s e r v e d ,
a s w e l l a s d o u b l e n e g a t i v e ( D N ) T
r e g
( w h i c h d o n o t e x p r e s s T
h
, T
c
, o r N K T
m a r k e r s ) [ W o o d , K . J . a n d B u s h e l l , A . a n d H e s t e r , J . , 2 0 1 2 , J u v e t , S . C . a n d
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 1 5
Z h a n g , L . , 2 0 1 2 ] ; i n w h a t f o l l o w s I w i l l s i m p l y r e f e r t o T
r e g
r e l y i n g o n t h e
c o n t e x t o r o n t h e a s s u m e d c e l l f u n c t i o n i f d i s a m b i g u a t i o n i s r e q u i r e d .
S i n c e t h e D M m a k e s s e v e r a l c o r r e c t p r e d i c t i o n s c o n c e r n i n g t h e b e h a v i o r
o f t h e h u m a n I S , I w i l l p r o c e e d t o b u i l d i n c r e m e n t a l l y o n t h e D M a n e w I S
m o d e l t h e d a n g e r m o d e l w i t h r e g u l a t o r y c e l l s ( D M R ) r a t h e r t h a n d e n e a
n e w I S m o d e l f r o m s c r a t c h . T h e D M R w i l l i n c l u d e a s a n e w c o m p o n e n t t h e
T
r e g
. T h u s , t o s p e c i f y t h e n e w m o d e l I n e e d t o s p e c i f y : 1 ) h o w t h e T
r e g
a r e
g e n e r a t e d ; 2 ) h o w t h e y b e h a v e i n r e l a t i o n t o t h e o t h e r e l e m e n t s o f t h e n e w
m o d e l i n h e r i t e d f r o m t h e D M , a n d 3 ) i f t h e y a r e p l a s t i c , t h a t i s , i f t h e y e v e r
c e a s e t o b e h a v e a s r e g u l a t o r y c e l l s a n d r e v e r t t o a n o n - r e g u l a t o r y s t a t e .
F i r s t , a m o d e l f o r t h e g e n e r a t i o n o f T
r e g
c a n b e d e n e d s i m p l y b y e x t e n d -
i n g t h e t o l e r i z a t i o n m e c h a n i s m s d e n e d i n t h e D M . I n t h e D M t h e c e n t r a l
a n d p e r i p h e r a l t o l e r i z a t i o n i s b a s e d o n t h e d e l e t i o n o r a n e r g i z a t i o n o f l y m p h o -
c y t e s t h a t r e c o g n i z e a n a n t i g e n p r e s e n t e d b y a n i n a c t i v e A P C . I n t h e D M R
I a s s u m e t h a t a t h i r d o u t c o m e o f t h i s k i n d o f i n t e r a c t i o n i s p o s s i b l e , n a m e l y ,
t h e t r a n s f o r m a t i o n o f t h e T c e l l i n t o a T
r e g
. S i n c e t h e D M R i s i n t e n d e d a s a
q u a l i t a t i v e m o d e l o f t h e I S t h e r e i s n o n e e d t o s p e c i f y t h e d e t a i l s o f t h e m e c h -
a n i s m l e a d i n g t o t h e c h o i c e b e t w e e n d e l e t i o n , a n e r g i z a t i o n , a n d c o n v e r s i o n t o
a r e g u l a t o r y p h e n o t y p e . I t i s i n s t e a d s u c i e n t t o a s s u m e t h a t t h e c o n v e r s i o n
o f a n n o n - r e g u l a t o r y T c e l l t o a T
r e g
h a p p e n s o f t e n e n o u g h t o m a k e o f t h e
T
r e g
a n o n n e g l i g i b l e a g e n t o f i m m u n e t o l e r a n c e .
C o n s i d e r i n g n o w T
r e g
b e h a v i o r , i n v i t r o a n d i n v i v o o b s e r v a t i o n s s u g g e s t
t h a t T
r e g
e x e r t a n a n t i g e n - s p e c i c d o w n - r e g u l a t i o n o f t h e i m m u n e r e s p o n s e
t h a t i m p l i e s a n i n t e r a c t i o n w i t h t h e A P C [ S a k a g u c h i , S . , 2 0 0 5 ] . H o w e v e r , t h e
e x a c t n a t u r e o f t h e i n t e r a c t i o n i s s t i l l u n k n o w n . I n s p e c i f y i n g t h e b e h a v i o r o f
t h e T
r e g
i n t h e D M R o n e m u s t t a k e i n t o a c c o u n t t h e f o l l o w i n g o b s e r v a t i o n .
T h e T
r e g
a p p e a r a s a n a d d i t i o n a l t o l e r o g e n i c m e c h a n i s m o n t o p o f t h e o n e
r e a l i z e d b y d e l e t i o n a n d a n e r g y . T h i s m e c h a n i s m r e q u i r e s a d d i t i o n a l r e s o u r c e s
a n d i t i s e a s i l y i m a g i n e d t h a t i f i t w e r e c u r r e n t l y n o t u s e f u l i n e v o l u t i o n a r y
t e r m s i t w o u l d h a v e b e e n i n a c t i v a t e d b y s o m e m u t a t i o n . C o n s e q u e n t l y , w e
c a n e x p e c t t o n d i n t h e m e c h a n i s m t h a t i m p l e m e n t s t o l e r a n c e b y T
r e g
s o m e
i m p r o v e m e n t o n t h e d e l e t i o n a n d a n e r g y m e c h a n i s m o f t h e D M .
I n t h e D M t h e r e i s i n d e e d a t l e a s t o n e a s p e c t o f t h e m e c h a n i s m o f l y m p h o -
c y t e a c t i v a t i o n b y A P C t h a t c o u l d b e i m p r o v e d . W h e n a n A P C i s a c t i v a t e d b y
d a n g e r s i g n a l s , b e f o r e h o m i n g t o t h e d r a i n i n g l y m p h n o d e i t t a k e s a s a m p l e
o f t h e a n t i g e n s p r e s e n t a t t h e a c t i v a t i o n p l a c e . B e s i d e s p a t h o g e n - a s s o c i a t e d
a n t i g e n s t h i s s a m p l e c a n i n c l u d e a n t i g e n s a s s o c i a t e d w i t h h e a l t h y h o s t t i s s u e s .
T h i s m e a n s t h a t a c c o r d i n g t o t h e D M t h e A P C m i g h t s u b s e q u e n t l y a c t i v a t e
a n a u t o r e a c t i v e l y m p h o c y t e t h a t h a s f o r t u i t o u s l y e s c a p e d d e l e t i o n a n d a n e r -
g i z a t i o n . T h i s a c t i v a t e d l y m p h o c y t e c o u l d t h e n p r o c e e d t o a t t a c k h e a l t h y h o s t
t i s s u e , a l t h o u g h i t s h y p o t h e s i z e d s h o r t a c t i v a t i o n t i m e w o u l d l i m i t t h i s e e c t
t o a f e w c e l l k i l l i n g s [ M a t z i n g e r , P . , 2 0 0 2 ] .
T h a n k s t o t h e p r e s e n c e o f t h i s n e w c o m p o n e n t t h e T
r e g
I c a n d e v i s e
a n d s p e c i f y i n t o t h e D M R a m e c h a n i s m t h a t a v o i d s e v e n t h i s m o d e r a t e a u -
t o i m m u n e e e c t . L e t m e a s s u m e t h a t , b e f o r e b e i n g a l l o w e d t o i n t e r a c t w i t h
e e c t o r T c e l l s , a n a c t i v a t e d A P C m u s t b e i n s p e c t e d b y t h e l o c a l T
r e g
p o o l ,
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1 6 C l a u d i o M a t t i u s s i
a n d t h a t t h i s i n s p e c t i o n w o u l d r e s u l t i n t h e r e m o v a l o f a l l t h e p e p t i d e - M H C
c o m p l e x e s ( p M H C ) r e c o g n i z e d b y t h e T
r e g
p o o l . T h i s h y p o t h e t i c a l t w o - p h a s e
m e c h a n i s m o f T c e l l a c c e s s t o t h e A P C i s c o r r o b o r a t e d b y t h e i n v i v o o b s e r -
v a t i o n o f i n i t i a l c r o w d i n g o f T
r e g
a r o u n d a c t i v e A P C e n t e r i n g l y m p h n o d e s ,
f o l l o w e d b y a s e c o n d p h a s e o f A P C i n t e r a c t i o n w i t h n o n - r e g u l a t o r y T c e l l s
[ B o u s s o , P . , 2 0 0 8 ] . A p o s s i b l e m e c h a n i s m o f p M H C r e m o v a l f r o m A P C i s t h e
s t r i p p i n g b y t r o g o c y t o s i s o f t h e p M H C b y t h e T
r e g
[ D a v i s , D . M . , 2 0 0 7 , J u v e t ,
S . C . a n d Z h a n g , L . , 2 0 1 2 ] . T h i s p r o c e s s o f A P C s t r i p p i n g w o u l d c o n f e r t o t h e
D M R a t l e a s t f o u r a d v a n t a g e s o v e r t h e o r i g i n a l D M .
4
T h e r s t a d v a n t a g e i s t h e a b s e n c e o f t h e a u t o i m m u n e p h e n o m e n o n d e -
s c r i b e d a b o v e , d u e t o a u t o a n t i g e n s c a p t u r e d a n d p r e s e n t e d b y a c t i v e A P C .
T h e s e c o n d a d v a n t a g e i s t h e p o s s i b i l i t y f o r t h e T
r e g
t o u s e t h e a c q u i r e d p M H C
t o b e h a v e a s a r e g u l a t o r y A P C a n d r e a l i z e a n a d d i t i o n a l a n t i g e n - s p e c i c t o l e r -
i z a t i o n m e c h a n i s m b y k i l l i n g l y m p h o c y t e s t h a t r e c o g n i z e t h e a c q u i r e d p M H C
[ Z h o u , G . a n d D i n g , Z . - C . e t a l . , 2 0 1 1 ] . T h e t h i r d a d v a n t a g e i s t h e s p e e d u p
o f t h e a c t i v a t i o n o f a d a p t i v e i m m u n i t y i n p r e s e n c e o f n o v e l p a t h o g e n s . T h i s
s p e e d u p i s r e a l i z e d b e c a u s e t h e T c e l l s t h a t w i l l l a t e r i n t e r a c t w i t h t h e A P C
t o e s t a b l i s h i f t h e i r c o g n a t e a n t i g e n i s d i s p l a y e d o n t h e A P C s u r f a c e w i l l b e
c o n f r o n t e d o n l y w i t h a n t i g e n s t h a t h a v e n o t b e e n s t r i p p e d b y t h e T
r e g
. B y t h e
m e c h a n i s m o f g e n e r a t i o n o f t h e T
r e g
h y p o t h e s i z e d a b o v e t h e a n t i g e n s t h a t c a n
b e f o u n d o n t h e s u r f a c e o f t h e a c t i v e A P C a f t e r T
r e g
i n s p e c t i o n a r e a n t i g e n s
t h a t h a v e n o t b e e n p r e v i o u s l y e n c o u n t e r e d i n t h e s t e a d y s t a t e . T h i s c o r r e -
s p o n d t o a f o c u s i n g o f t h e l a t e r i n s p e c t i o n o f t h e s t r i p p e d A P C b y e e c t o r T
c e l l s o n t h e s u b s e t o f c a p t u r e d a n t i g e n s t h a t a r e s p e c i c a l l y a s s o c i a t e d w i t h
t h e d a n g e r s i g n a l t h a t a c t i v a t e d t h e A P C . T h e s p e e d u p f a c t o r i s t h e r a t i o o f
t h e n u m b e r o f a l l t h e a n t i g e n s c a p t u r e d b y t h e A P C t o t h e n u m b e r o f a n t i -
g e n s t h a t r e m a i n o n t h e A P C s u r f a c e a f t e r T
r e g
s t r i p p i n g . T h i s s p e e d u p f a c t o r
m i g h t p r o v e v i t a l i n p r e s e n c e o f a p a t h o g e n w h o s e a n t i g e n s a r e r e c o g n i z e d o n l y
b y r a r e c i r c u l a t i n g T c e l l s .
T h e f o u r t h a d v a n t a g e d e s e r v e s a p a r t i c u l a r e m p h a s i s b e c a u s e i t c o n c e r n s
a s t e p o f t e n i g n o r e d i n e s t a b l i s h i n g a n I S m o d e l , n a m e l y , t h e t r a n s i t i o n f r o m
t h e p h a s e o f i m m u n e p a t h o g e n a t t a c k t o t h e e q u a l l y i m p o r t a n t p h a s e o f t i s s u e
r e g e n e r a t i o n a n d h e a l i n g [ N a t h a n , C . , 2 0 0 2 ] . T h e p o s s i b i l i t y t o m o d e l i n t h e
D M R a n i n f o r m e d t r a n s i t i o n b e t w e e n t h e t w o p h a s e s i s b a s e d o n t h e p o s s i -
b i l i t y t h a t a n a c t i v e A P C b e s t r i p p e d b y t h e T
r e g
o f a l l i t s p M H C i s s u i n g
e x t e r n a l l y a c q u i r e d a n t i g e n s . T h i s i s t h e s i t u a t i o n t h a t p r e v a i l s , f o r e x a m p l e ,
w h e n a p a t h o g e n i n f e c t i o n h a s b e e n s u c c e s s f u l l y c l e a r e d b y t h e I S b u t t h e
c o n c e r n e d t i s s u e i s s t i l l s t r e s s e d d u e t o t h e d a m a g e s i n i c t e d d u r i n g t h e g h t
p h a s e . T h u s , a n a c t i v e A P C s t r i p p e d b y T
r e g
o f a l l t h e s e p M H C i s a n i n d i c a t o r
o f t h e o p p o r t u n i t y t h a t t h e I S s w i t c h e s f r o m p a t h o g e n e r a d i c a t i o n t o t i s s u e r e -
g e n e r a t i o n a n d h e a l i n g . N o t e , h o w e v e r , t h a t t h e a b s e n c e o f p a t h o g e n a n t i g e n s
i n t h e s a m p l e e n g u l f e d b y a n y p a r t i c u l a r A P C m i g h t b e d u e t o a s t o c h a s -
t i c s a m p l i n g e e c t . T h u s , i n t h e D M R t h e l i c e n s i n g o f t h e h e a l i n g p r o c e s s
4
T h e p h y s i c a l t r a n s f e r ( r a t h e r t h a n , s a y , s i m p l e i n a c t i v a t i o n o r r e s o r p t i o n ) o f t h e p M H C
f r o m A P C t o T
r e g
i s e s s e n t i a l o n l y t o r e a l i z e t h e s e c o n d a d v a n t a g e d e s c r i b e d i n t h e t e x t .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 1 7
w i l l n o t b e e n t r u s t e d t o a s i n g l e c o m p l e t e l y s t r i p p e d A P C . R a t h e r , A P C t h a t
h a v e b e e n s t r i p p e d o f a l l t h e i r p M H C d i s p l a y i n g e x t e r n a l l y a c q u i r e d a n t i g e n s
w i l l p r o d u c e a n t i - i n a m m a t o r y , r e g e n e r a t i v e s i g n a l s , w h e r e a s A P C t h a t a f t e r
T
r e g
i n s p e c t i o n s t i l l h a v e s o m e o f t h e s e p M H C w i l l p r o d u c e p r o - i n a m m a t o r y ,
i m m u n o g e n i c s i g n a l s [ S o z z a n i , S . a n d R u s n a t i , M . a n d R i b o l d i , E . a n d M i -
t o l a , S . a n d P r e s t a , M . , 2 0 0 7 ] . T h e o u t c o m e w i l l t h u s b e t h e p r o d u c t o f a
d e c i s i o n m e c h a n i s m s i m i l a r t o t h e q u o r u m s e n s i n g o b s e r v e d i n c o l o n i e s o f b a c -
t e r i a [ A l m e i d a , A . R . M . a n d A m a d o , I . F . a n d R e y n o l d s , J . a n d B e r g e s , J . a n d
L y t h e , G . e t a l . , 2 0 1 2 ] .
T o c o m p l e t e t h e d e n i t i o n o f t h e D M R I m u s t n a l l y d e n e t h e f a t e o f t h e
T
r e g
. O n e c a n i m a g i n e t w o s c e n a r i o s . I n t h e r s t s c e n a r i o t h e T
r e g
a r e n o t
p l a s t i c , i . e . , o n c e a n i n a c t i v e T c e l l i s t r a n s f o r m e d i n t o a T
r e g
i t r e m a i n s a r e g u -
l a t o r y c e l l f o r a l l i t s r e m a i n i n g l i f e t i m e . T h i s m e c h a n i s m h a s t h e d i s a d v a n t a g e
t h a t a p a t h o g e n o r a t u m o r c o u l d g a i n l o n g t e r m p r o t e c t i o n b y r s t b e h a v i n g
w e l l a n d a v o i d i n g t h e g e n e r a t i o n o f d a n g e r s i g n a l s , g e n e r a t e i n t h i s w a y T
r e g
s p e c i c f o r i t s s p e c i c a n t i g e n s , a n d t h e n p r o l i f e r a t e u n d e r t h e u m b r e l l a o f t h e
e s t a b l i s h e d T
r e g
p r o t e c t i o n . I n t h e s e c o n d s c e n a r i o t h e T
r e g
a r e p l a s t i c , i . e . ,
t h e r e e x i s t s a m e c h a n i s m o f r e c o n v e r s i o n o f a T
r e g
i n t o a n o n - r e g u l a t o r y T c e l l
[ B a i l e y - B u c k t r o u t , S . L . a n d B l u e s t o n e , J . A . , 2 0 1 1 ] . F o r e x a m p l e , o n e c o u l d
a s s u m e t h a t t h e e x e c u t i o n o f o n e o r a f e w o p e r a t i o n s o f p M H C s t r i p p i n g o n
a n A P C w o u l d r e s u l t i n t h e ( p o s s i b l y , s u i t a b l y d e l a y e d ) r e v e r s i o n o f t h e T
r e g
t o i t s o r i g i n a l n o n - r e g u l a t o r y s t a t e . I n t h i s w a y a s t e a d y - s t a t e t i s s u e w o u l d
p r o d u c e T
r e g
s p e c i c f o r t i s s u e - a s s o c i a t e d a n t i g e n s w h e r e a s a n i n a m e d t i s s u e
w o u l d c o n s u m e t h o s e s a m e T
r e g
. T o t h i s e n d o n e m u s t j u s t a d d t o t h e D M R
t h e a s s u m p t i o n t h a t T
r e g
a r e a t t r a c t e d i n t o i n a m e d s i t e s a t e a r l y p h a s e s o f
i n f e c t i o n [ M a i l l o u x , A . a n d Y o u n g , M . R . I . , 2 0 1 0 ] .
T h i s s e c o n d , p l a s t i c T
r e g
s c e n a r i o a l s o h a s a d r a w b a c k , n a m e l y , t h a t i f a
t i s s u e e x p r e s s e s a t i s s u e - r e s t r i c t e d a n t i g e n ( T R A )
5
a n d b e c o m e s i n a m e d , i t
w i l l s t o p t o p r o d u c e
T R A
T
r e g
a n d w i l l s t a r t t o c o n s u m e t h e m . S i n c e b y d e n i -
t i o n t h o s e T R A a r e n o t e x p r e s s e d e l s e w h e r e b y t h e h o s t , i f t h e i n a m m a t i o n
s t a t e p e r s i s t s i t w i l l e v e n t u a l l y l e a d t o t h e e x h a u s t i o n o f t h e e x i s t i n g s t o c k o f
T R A
T
r e g
a n d t o t h e c o n s e q u e n t a u t o i m m u n e a t t a c k a g a i n s t t h e t i s s u e . H o w -
e v e r , c o n t r a r y t o t h e u n w a n t e d c o n s e q u e n c e o f t h e n o n - p l a s t i c T
r e g
s c e n a r i o ,
t h e u n w a n t e d c o n s e q u e n c e o f t h e p l a s t i c T
r e g
s c e n a r i o c a n b e e a s i l y p r e v e n t e d .
I t i s s u c i e n t t o e n s u r e t h a t n o T R A e x i s t s i n t h e h o s t t i s s u e s , f o r e x a m p l e , b y
e n s u r i n g t h a t a n t i g e n s t h a t a r e a s s o c i a t e d w i t h m o l e c u l e s t h a t a r e f u n c t i o n a l l y
r e q u i r e d o n l y i n a s i n g l e t i s s u e b e a l s o ( t y p i c a l l y , n o n - f u n c t i o n a l l y ) e x p r e s s e d
i n a t l e a s t o n e a d d i t i o n a l d i s t i n c t t i s s u e o f t h e h o s t . I n f a c t , i t i s k n o w n t h a t
h u m a n s p o s s e s s a g e n e c a l l e d a u t o i m m u n e r e g u l a t o r ( A I R E ) w h o s e f u n c t i o n
i s t h e e c t o p i c e x p r e s s i o n o f a n t i g e n s [ A n d e r s o n , M . S . a n d V e n a n z i , E . S . a n d
K l e i n , L . a n d C h e n , A . a n d B e r z i n s , S . P . e t a l . , 2 0 0 2 ] . T h e A I R E g e n e i s
e x p r e s s e d i n t h e t h y m u s a n d p o s s i b l y i n o t h e r r e g i o n s o f t h e l y m p h a t i c s y s t e m
[ E l d e r s h a w , S . A . a n d S a n s o m , D . M . a n d N a r e n d r a n , P . , 2 0 1 1 ] a n d e x e r t s i t s
5
T i s s u e - r e s t r i c t e d r a t h e r t h a n t h e e q u a l l y p l a u s i b l e t i s s u e - s p e c i c t o a v o i d a c o n i c t o f
a c r o n y m s w i t h t u m o r - s p e c i c a n t i g e n .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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1 8 C l a u d i o M a t t i u s s i
f u n c t i o n b y e n c o d i n g a t r a n s c r i p t i o n f a c t o r t h a t p r o v o k e s t h e t r a n s c r i p t i o n o f a
m u l t i t u d e o f p r o t e i n s t h a t o t h e r w i s e w o u l d b e t i s s u e - r e s t r i c t e d . B a s e d o n t h i s
e v i d e n c e , I w i l l a d o p t f o r t h e D M R t h e p l a s t i c T
r e g
s c e n a r i o , w h i c h c o n t e m -
p l a t e s t h e p r o d u c t i o n o f T
r e g
b y t i s s u e s i n s t e a d y s t a t e a n d t h e i r c o n s u m p t i o n
i n t h e p r e s e n c e o f d a n g e r s i g n a l s .
4 . 2 U s i n g t h e m o d e l t o u n d e r s t a n d c a n c e r d e v e l o p m e n t
N o w t h a t I h a v e d e n e d t h e I S m o d e l I c a n p r o c e e d t o v e r i f y i t s c o m p a t i b i l i t y
w i t h t h e o b s e r v e d m a l f u n c t i o n o f t h e s y s t e m , t h a t i s , t h e p r e s e n c e o f p r o -
g r e s s i n g c a n c e r . T h e c u r r e n t l y m a i n s t r e a m m o d e l o f c a n c e r d e v e l o p m e n t i s
t h e s o m a t i c m u t a t i o n t h e o r y ( S M T ) [ S o t o , A . M . a n d S o n n e n s c h e i n , C . , 2 0 1 1 ] .
I t p o s i t s t h a t t h e p r o c e s s s t a r t s w i t h a s i n g l e c e l l t h a t , f o r u n s p e c i e d c a u s e s ,
a c c u m u l a t e s i n i t s g e n o m e a c e r t a i n n u m b e r o f m u t a t i o n s a n d a s a c o n s e q u e n c e
s t a r t s t o p r o l i f e r a t e u n c o n t r o l l a b l y . T h i s p r o d u c e s a g r o w i n g p r i m a r y t u m o r
w h e r e i n s o m e c e l l s c a n s u b s e q u e n t l y a c q u i r e f u r t h e r m u t a t i o n s a n d s t a r t t o
m e t a s t a s i z e .
I n t h i s s c e n a r i o , i n t h e p h a s e t h a t g o e s f r o m t h e s i n g l e o r i g i n a t o r c e l l
t o a m i c r o t u m o r o f a f e w m i l l i m e t e r s i n d i a m e t e r , t h e c e l l s o f t h e g r o w i n g
t u m o r r e c e i v e o x y g e n a n d n u t r i e n t s b y d i u s i o n f r o m t h e n e a r e s t e x i s t i n g
b l o o d v e s s e l s . T h i s i s c a l l e d t h e a v a s c u l a r p h a s e o f t u m o r g r o w t h [ W i c k i , A .
a n d C h r i s t o f o r i , G . , 2 0 0 8 ] . I n t h i s p h a s e t h e t u m o r c e l l s d o n o t p r o d u c e d a n g e r
s i g n a l s a n d , a c c o r d i n g t o t h e D M R , t h e i r i n t e r a c t i o n w i t h t h e l o c a l A P C l e a d s
t o t h e g e n e r a t i o n o f
T S A
T
r e g
. I f t h e g r o w t h c o n t i n u e s b e y o n d t h e m i c r o t u m o r
s i z e , h o w e v e r , s o m e c e l l s o f t h e g r o w i n g t u m o r c o m e t o b e t o o d i s t a n t f r o m t h e
b l o o d v e s s e l s t o r e c e i v e a n a d e q u a t e s u p p l y o f o x y g e n a n d n u t r i e n t s b y d i u s i o n
[ V a l a s t y a n , S . a n d W e i n b e r g , R . A . , 2 0 1 1 ] . A s a c o n s e q u e n c e , s t a r v i n g a n d
h y p o x i c t u m o r c e l l s s t a r t t o p r o d u c e d a n g e r s i g n a l s . A c c o r d i n g t o t h e t e n e t s
o f t h e D M R , b y a c t i v a t i n g t h e l o c a l A P C , t h e p r e s e n c e o f d a n g e r s i g n a l s s t o p s
t h e p r o d u c t i o n o f
T S A
T
r e g
a n d s t a r t s a p h a s e o f
T S A
T
r e g
c o n s u m p t i o n . S i n c e
i n t h i s p h a s e , b y d e n i t i o n , t h e T S A e x i s t o n l y i n t h e g r o w i n g t u m o r , t h e r e
a r e n o o t h e r p l a c e s w h e r e
T S A
T
r e g
a r e p r o d u c e d . T h u s , t h e s t o c k o f
T S A
T
r e g
i s i n e x o r a b l y e r o d e d . A s s o o n a s t h e s t o c k i s e x h a u s t e d , t h e t u m o r l o s e s i t s
T S A
T
r e g
p r o t e c t i o n a n d i s a t t a c k e d a n d c l e a r e d b y t h e I S .
I h a v e t h u s a r r i v e d a t t h e s u r p r i s i n g c o n c l u s i o n t h a t t h e s c e n a r i o p r o p o s e d
b y t h e m a i n s t r e a m m o d e l o f c a n c e r d e v e l o p m e n t i s i n c o m p a t i b l e w i t h t h e
D M R . T h a n k f u l l y , t h e S M T i s n o t a f a c t e s t a b l i s h e d b e y o n d d o u b t b y m u l t i p l e
d i r e c t o b s e r v a t i o n s b u t o n l y a h y p o t h e s i s b a s e d o n i n d i r e c t o b s e r v a t i o n s a n d
s t i l l o p e n t o d e b a t e [ e . g . , S o t o , A . M . a n d S o n n e n s c h e i n , C . , 2 0 1 1 ] . T h u s , I a m
n o t f o r c e d t o d i s c a r d o u t r i g h t t h e D M R f o r i n c o m p a t i b i l i t y w i t h t h e o b s e r v e d
f a i l u r e m o d e . O n t h e c o n t r a r y , I c a n p r o c e e d a n d f o l l o w t h e m o d e l w h e r e v e r i t
l e a d s . T o t h i s e n d i t i s e x p e d i e n t t o a d o p t a n e v o l u t i o n a r y D a r w i n i a n p o i n t o f
v i e w [ V a l a s t y a n , S . a n d W e i n b e r g , R . A . , 2 0 1 1 , G r e a v e s , M . a n d M a l e y , C . C . ,
2 0 1 2 ] a n d s a y t h a t a c e l l c l o n e t h a t c o n t i n u e s t o g r o w b e y o n d t h e a v a s c u l a r
p h a s e i s n o n v i a b l e i n t h e e n v i r o n m e n t p r o v i d e d b y t h e h o s t w i t h a f u n c t i o n i n g
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 1 9
I S . H o w e v e r , a s W i c k i a n d C h r i s t o f o r i o b s e r v e : A v a s c u l a r t u m o r s c a n r e a c h a
s t e a d y s t a t e , w h e r e t u m o r c e l l p r o l i f e r a t i o n a n d a p o p t o s i s a r e i n b a l a n c e a n d
a n e t i n c r e a s e i n t u m o r v o l u m e d o e s n o t o c c u r [ W i c k i , A . a n d C h r i s t o f o r i , G . ,
2 0 0 8 , p . 6 8 ] . T h i s k i n d o f t u m o r , w h i c h I w i l l c a l l s t e a d y - s t a t e ( n o n m e t a s t a t i c )
m i c r o t u m o r ( S S M ) , d o e s n o t g e n e r a t e d a n g e r s i g n a l s a n d i s t h u s v i a b l e i n t h e
c o n t e x t o f a f u n c t i o n i n g I S a s d e s c r i b e d b y t h e D M R . N o t e t h a t t h e s t e a d y -
s t a t e i n t h e S S M n a m e e v o k e s b o t h i t s i m m u n o l o g i c a l s t a t u s ( a b s e n c e o f
d a n g e r s i g n a l s ) a n d t h e d y n a m i c a l e q u i l i b r i u m o f i t s s i z e .
T h e d y n a m i c a l n a t u r e o f t h e e q u i l i b r i u m i s e s s e n t i a l b e c a u s e i t e n s u r e s t h a t
t h e D a r w i n i a n p r o c e s s c o n t i n u e s t o o p e r a t e i n t h e S S M d e s p i t e i t s u n c h a n g i n g
s i z e . I n p a r t i c u l a r , t h i s e v o l u t i o n a r y p r o c e s s c a n l e a d t o t h e g e n e r a t i o n o f a
m u t a n t c e l l c l o n e p o s s e s s i n g t h e a b i l i t y t o m e t a s t a s i z e . T h i s f a c t l e a d s t o a
d i s s e m i n a t i o n i n t h e h o s t o f a p r o g e n y o f w h a t I w i l l c a l l s t e a d y - s t a t e m e t a s t a t i c
m i c r o t u m o r s ( S M M ) , e a c h c a p a b l e o f f u r t h e r S M M s e e d i n g . B e i n g i n s t e a d y
s t a t e , e a c h S M M w i l l g e n e r a t e a s t o c k o f
T S A
T
r e g
w h o s e s i z e d e p e n d s o n t h e
l o c a l t r a c o f A P C a n d T c e l l s . T h i s l o c a l t r a c i s p a r t i c u l a r l y i n t e n s e i n
s p e c i a l t i s s u e s a n d o r g a n s o f t h e h o s t s u c h a s t h e t h y m u s , t h e b o n e m a r r o w , t h e
s p l e e n , t h e l y m p h a t i c n o d e s , a n d p o s s i b l y t h e l i v e r a n d t h e a p p e n d i x [ M a i l l o u x ,
A . a n d Y o u n g , M . R . I . , 2 0 1 0 , C h e n , W . a n d F o r d , M . S . a n d Y o u n g , K . J . a n d
Z h a n g , L . , 2 0 0 4 ] . T h i s m e a n s t h a t i f a c o l o n y o f S M M h a p p e n s t o s e t t l e i n o n e
o f t h e s e s p e c i a l s i t e s t h e r a t e o f g e n e r a t i o n o f
T S A
T
r e g
c a n b e c o m e s u b s t a n t i a l .
T h e s a m e r e s u l t i s o b t a i n e d i n a l e s s l o c a l i z e d w a y w h e n a s u b s t a n t i a l n u m b e r
o f S M M i s d i s s e m i n a t e d i n t h e b o d y .
T h e p r e s e n c e i n t h e h o s t o f a c o l o n y o f S M M h a s t h e e e c t o f g r a d u a l l y
c h a n g i n g t h e e v o l u t i o n a r y s c e n a r i o e x p e r i e n c e d b y e a c h S M M . W h i l e i n i t i a l l y
t h e o u t g r o w t h o f a m i c r o t u m o r b e y o n d t h e a v a s c u l a r p h a s e i s s t o p p e d b y t h e
I S a n d i s t h u s e v o l u t i o n a r i l y n o n v i a b l e , t h e g r o w i n g s t o c k a n d i n c r e a s e d p o t e n -
t i a l o f p r o d u c t i o n o f
T S A
T
r e g
d u e t o t h e p r e s e n c e o f t h e c o l o n y o f S M M m a k e s
t h e i r o u t g r o w t h e v o l u t i o n a r y v i a b l e . N o w a m u t a t i o n i n o n e o f t h e S M M c e l l s
l e a d i n g t o i t s u n c o n t r o l l e d p r o l i f e r a t i o n w o u l d l e a d t o t h e g r o w t h o f o n e o f t h e
m i c r o t u m o r s b e y o n d t h e a v a s c u l a r s i z e . A s b e f o r e , t h i s w o u l d g e n e r a t e d a n g e r
s i g n a l s , w h i c h i n t u r n w o u l d a c t i v a t e t h e A P C , a t t r a c t
T S A
T
r e g
a n d c o n s u m e
t h e m . C o n t r a r y t o w h a t h a p p e n e d i n t h e a b s e n c e o f o t h e r S M M , h o w e v e r ,
n o w t h e l o c a l c o n s u m p t i o n w o u l d b e c o m p e n s a t e d b y t h e i n u x o f
T S A
T
r e g
p r o d u c e d b y t h e o t h e r S M M , w h i c h a r e s t i l l i n t h e s t e a d y - s t a t e . T h u s , t h e
T S A
T
r e g
s t o c k w i l l n o t b e e x h a u s t e d a n d t h e a c t i v e A P C w i l l c o n t i n u e t o b e
c o m p l e t e l y s t r i p p e d o f t h e i r p M H C . T h e o n l y c o n d i t i o n f o r t h i s t o h a p p e n
i s t h a t t h e m u t a t i o n t h a t l e d t o t h e u n c o n t r o l l e d p r o l i f e r a t i o n o f o n e o f t h e
S M M d i d n o t g e n e r a t e T S A t h a t w e r e n o t p r e s e n t i n t h e o r i g i n a l S M M . T h i s
i s n o t d i c u l t t o i m a g i n e c o n s i d e r i n g t h a t t h e u n c o n t r o l l e d p r o l i f e r a t i o n c a n
b e d u e t o a m u t a t i o n t h a t m i g h t h a v e j u s t d i s a b l e d t h e e x p r e s s i o n o f a t u m o r
s u p p r e s s i n g g e n e . H o l d i n g t h i s c o n d i t i o n , t h e A P C , i n s t e a d o f g e n e r a t i n g i m -
m u n o g e n i c s i g n a l s a n d a c t i v a t i n g I S e e c t o r s a g a i n s t t h e g r o w i n g m i c r o t u m o r ,
w o u l d p r o d u c e h e a l i n g a n d r e g e n e r a t i v e f a c t o r s [ C u r i e l , T . J . a n d C o u k o s , G .
e t a l . , 2 0 0 4 ] . I n t h i s s e n s e , r a t h e r t h a n a w o u n d t h a t d o e s n o t h e a l [ D v o r a k ,
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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2 0 C l a u d i o M a t t i u s s i
H . F . , 1 9 8 6 ] t h e p r i m a r y t u m o r m i g h t b e c h a r a c t e r i z e d a s a w o u n d t h a t d o e s
n o t s t o p h e a l i n g [ S c h a f e r , M . a n d W e r n e r , S . , 2 0 0 8 ] .
I n p a r t i c u l a r , g i v e n t h e h y p o x i c s t a t u s o f t h e g r o w i n g t u m o r , t h e f u l l y -
s t r i p p e d a c t i v e A P C w o u l d p r o d u c e p r o - a n g i o g e n i c f a c t o r s t h a t w o u l d p r o m o t e
t h e v a s c u l a r i z a t i o n o f t h e g r o w i n g t u m o r ( c o r r e s p o n d i n g t o t h e a c t i v a t i o n o f
t h e s o - c a l l e d a n g i o g e n i c s w i t c h ) [ C o u k o s , G . a n d B e n e n c i a , F . , 2 0 0 9 ] . T h i s
g r o w i n g t u m o r w o u l d b e c o m e w h a t i n t h e c o n t e x t o f t h e S M T a p p e a r s t o b e t h e
p r i m a r y t u m o r . N o t e t h a t i n t h e D M R c o n t r a r y t o t h e s c e n a r i o h y p o t h e s i z e d
b y t h e S M T b e s i d e s t h e p o t e n t i a l o f u n c o n t r o l l e d g r o w t h t h e c e l l s o f t h e
p r i m a r y t u m o r p o s s e s s f r o m t h e b e g i n n i n g t h e a b i l i t y t o m e t a s t a s i z e
6
, a n d o n l y
t h e t y p i c a l i n e c i e n c y o f t h e m e t a s t a t i c s p r e a d [ V a l a s t y a n , S . a n d W e i n b e r g ,
R . A . , 2 0 1 1 ] c a n l e a d t o a s i g n i c a n t d e l a y b e f o r e c e l l s s h e d b y t h e p r i m a r y
t u m o r s e t t l e a n d s t a r t t o p r o l i f e r a t e .
4 . 3 F u r t h e r p r e d i c t i o n s a b o u t c a n c e r f o l l o w i n g f r o m t h e m o d e l
L e t m e c o n s i d e r a f e w a d d i t i o n a l p r e d i c t i o n s t h a t f o l l o w f r o m t h e D M R s c e -
n a r i o o f c a n c e r d e v e l o p m e n t a n d a r e a c t u a l l y o b s e r v e d i n v i v o , b u t a p p e a r
p u z z l i n g i n t h e c o n t e x t o f t h e S M T . A r s t o b v i o u s i m p l i c a t i o n o f t h e D M R
s c e n a r i o i s t h e p r e s e n c e o f a c o l o n y o f S M M i n t h e b o d y o f a p a t i e n t w i t h
o v e r t c a n c e r . T h e D M R p r e d i c t s i n d e e d t h a t c o l o n i e s o f S M M a r e t o b e f o u n d
a l s o i n i n d i v i d u a l s w h o d o n o t h a r b o r a g r o w i n g p r i m a r y t u m o r . I n f a c t i t w a s
o b s e r v e d t h a t [ F o l k m a n , J . a n d K a l l u r i , R . , 2 0 0 4 ] :
M a n y o f u s m a y h a v e t i n y t u m o u r s w i t h o u t k n o w i n g i t . I n f a c t , a u t o p -
s i e s o f i n d i v i d u a l s w h o d i e d o f t r a u m a o f t e n r e v e a l m i c r o s c o p i c c o l o n i e s
o f c a n c e r c e l l s [ m y e m p h a s i s ] , a l s o k n o w n a s i n s i t u t u m o u r s . I t h a s
b e e n e s t i m a t e d t h a t m o r e t h a n o n e - t h i r d o f w o m e n a g e d 4 0 t o 5 0 , w h o
d i d n o t h a v e c a n c e r - r e l a t e d d i s e a s e i n t h e i r l i f e - t i m e , w e r e f o u n d a t
a u t o p s y w i t h i n s i t u t u m o u r s i n t h e i r b r e a s t . B u t b r e a s t c a n c e r i s d i -
a g n o s e d i n o n l y 1 % o f w o m e n i n t h i s a g e r a n g e . S i m i l a r o b s e r v a t i o n s
a r e a l s o r e p o r t e d f o r p r o s t a t e c a n c e r i n m e n . V i r t u a l l y a l l a u t o p s i e d i n -
d i v i d u a l s a g e d 5 0 t o 7 0 h a v e i n s i t u c a r c i n o m a s i n t h e i r t h y r o i d g l a n d ,
w h e r e a s o n l y 0 . 1 % o f i n d i v i d u a l s i n t h i s a g e g r o u p a r e d i a g n o s e d w i t h
t h y r o i d c a n c e r d u r i n g t h i s p e r i o d o f t h e i r l i f e .
T h e e x i s t e n c e o f t h e s e i n s i t u o r d o r m a n t m i c r o t u m o r s h a s b e e n p u z z l i n g
b i o l o g i s t s f o r a l o n g t i m e [ U h r , J . W . a n d P a n t e l , K . , 2 0 1 1 ] . I n t h e s c e n a r i o o f -
f e r e d b y t h e S M T , t h e s e q u i e s c e n t m i c r o t u m o r s m u s t n e c e s s a r i l y b e i n t e r p r e t e d
a s m e t a s t a s e s o f t h e p r i m a r y t u m o r . H o w e v e r , t h i s i n t e r p r e t a t i o n r a i s e s t h e
q u e s t i o n o f w h y s o m e m e t a s t a s e s g r o w a n d o t h e r b e c o m e q u i e s c e n t . M o r e o v e r ,
a c c o r d i n g t o S M T o n e w o u l d e x p e c t t h a t t h e c e l l s o f d o r m a n t m i c r o t u m o r s
h a r b o r m o r e m u t a t i o n s t h a n t h e p r i m a r y t u m o r a n d m o r e s i m i l a r t o t h e o n e s
o b s e r v e d i n g r o w i n g m e t a s t a s e s t h a n t o t h o s e o b s e r v e d i n t h e p r i m a r y t u m o r ,
6
U n l e s s t h i s c a p a c i t y h a s b e e n d i s a b l e d b y t h e m u t a t i o n s t h a t l e d t o u n c o n t r o l l e d p r o l i f -
e r a t i o n .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 2 1
w h e r e a s t h e c o n t r a r y i s a c t u a l l y o b s e r v e d [ K l e i n , C . A . , 2 0 0 9 ] . C o n v e r s e l y ,
a l l t h e s e o b s e r v a t i o n s m a k e p e r f e c t s e n s e i n t h e l i g h t o f t h e D M R , s i n c e t h e
d o r m a n t m i c r o t u m o r s o f t h e o l d m o d e l c o r r e s p o n d t o t h e S M M o f t h e n e w
m o d e l a n d , i n i t , t h e i r f o r m a t i o n p r e c e d e s t h a t o f t h e p r i m a r y t u m o r r a t h e r
t h a n f o l l o w i n g i t a s p r e d i c t e d b y t h e S M T .
T h e D M R a l s o e x p l a i n s t h e r e l a t e d o b s e r v a t i o n t h a t s o m e o f t h e n e o p l a s -
t i c g r o w t h s t h a t i n t h e l i g h t o f S M T a r e c o n s i d e r e d m e t a s t a s e s a p p e a r t o b e
d i s s e m i n a t e d f r o m t h e b e g i n n i n g o f t h e f o r m a t i o n o f t h e p r i m a r y t u m o r , b e -
i n g o b s e r v e d i n p a t i e n t s w h o s e p r i m a r y t u m o r i s d e t e c t e d i n i t s e a r l y s t a g e s
[ V a l a s t y a n , S . a n d W e i n b e r g , R . A . , 2 0 1 1 ] . T h i s i s p u z z l i n g i n t h e l i g h t o f t h e
S M T , w h i c h p o s i t s t h a t t h e a c q u i s i t i o n o f m e t a s t a t i c p o t e n t i a l r e q u i r e s a s e r i e s
o f a d d i t i o n a l m u t a t i o n s b e s i d e s t h e o n e t h a t l e d t o t h e u n c o n t r o l l e d p r o l i f e r -
a t i o n . I n f a c t , w i t h i n t h e S M T t h e v e r y o b s e r v a t i o n o f t h e h i g h f r e q u e n c y o f
m e t a s t a t i c d i s s e m i n a t i o n i s p u z z l i n g . A f t e r a l l , s h e d d i n g c e l l s t o d i s t a n t s i t e s
s h o u l d p u t a c e l l c l o n e a t a s e l e c t i v e d i s a d v a n t a g e i n t h e D a r w i n i a n s t r u g g l e
b e t w e e n c l o n e s t a k i n g p l a c e w i t h i n t h e p r i m a r y t u m o r [ A r a n d a - A n z a l d o , A . ,
2 0 0 1 , M e r l o , L . M . F . a n d P e p p e r , J . W . a n d R e i d , B . J . a n d M a l e y , C . C . , 2 0 0 6 ] .
C o n v e r s e l y , i n t h e l i g h t o f t h e D M R t h e e a r l y s p r e a d o f m e t a s t a s e s f r o m t h e
p r i m a r y t u m o r i s o b v i o u s s i n c e t h e m e t a s t a t i c c o m p e t e n c e i s a p r e r e q u i s i t e
f o r t h e e s t a b l i s h m e n t o f t h e c o n d i t i o n s t h a t a l l o w t h e s w i t c h t o t h e p h a s e o f
u n c o n t r o l l e d g r o w t h .
R e m a r k : I f w e d r o p t h e h y p o t h e s i s t h a t t h e t u m o r c e l l m u s t n e c e s s a r i l y p r e s e n t
s o m e T S A o n i t s M H C m o l e c u l e s , t h e D M R s c e n a r i o o f t u m o r d e v e l o p m e n t
f r o m t h e h y p o t h e t i c a l r s t m u t a t e d c e l l c h a n g e s a s f o l l o w s . W h e n t h e t u -
m o r r e a c h e s t h e s i z e l i m i t s o f t h e a v a s c u l a r s t a g e , t h e A P C a r e a c t i v a t e d
b y t h e d a n g e r s i g n a l s , b u t u p o n p r e s e n t a t i o n o f t h e e n g u l f e d a n t i g e n s t o
T
r e g
t h e y a r e c o m p l e t e l y s t r i p p e d a n d c o n s e q u e n t l y e n t e r t h e h e a l i n g
s t a t e a n d s t a r t t o p r o d u c e p r o - a n g i o g e n i c a n d r e g e n e r a t i v e f a c t o r s . T h u s ,
a s a b o v e , t h e t u m o r c a n g r o w n o t o n l y u n d i s t u r b e d b u t a c t u a l l y a c t i v e l y
s u p p o r t e d b y t h e i m m u n e s y s t e m . H o w e v e r , c o n t r a r y t o t h e s c e n a r i o w i t h
o b l i g a t o r y T S A p r e s e n t a t i o n , i n t h i s s c e n a r i o t h e p r i m a r y t u m o r c a n g r o w
d i r e c t l y f r o m t h i s r s t c e l l c l o n e a n d t h e r e i s n o c o m p u l s o r y m e t a s t a t i c
p h a s e . I n d e e d , a s n o t e d a b o v e , t h e a c q u i s i t i o n o f m e t a s t a t i c p r o p e r t i e s b y
a c l o n e o f t h e g r o w i n g t u m o r i s e v o l u t i o n a r i l y p e n a l i z e d . C o n s e q u e n t l y ,
t h e a c q u i s i t i o n o f m e t a s t a t i c p o t e n t i a l b y t h e g r o w i n g t u m o r w o u l d b e a
r a r e e v e n t a n d t h e s e h y p o t h e t i c a l T S A - f r e e t u m o r s w o u l d a l m o s t a l w a y s
b e b e n i g n . S i m i l a r c o n c l u s i o n s h o l d f o r t h e e s t a b l i s h m e n t o f t u m o r p r o -
t e c t i o n b y S S M p r o d u c t i o n a n d s e c r e t i o n i n t o t h e c i r c u l a t i o n o f f r e e T S A
[ M c K h a n n , C . F . a n d Y a r l o t t , M . A . , 1 9 7 5 ] .
A n o t h e r s i g n i c a n t p r e d i c t i o n o f t h e n e w m o d e l f o l l o w s f r o m t h e f a c t t h a t
t h e m e c h a n i s m o f t o l e r a n c e b a s e d o n T
r e g
r e q u i r e s a c e r t a i n a l g e b r a i c r e l a -
t i o n s h i p b e t w e e n T
r e g
p r o d u c t i o n a n d c o n s u m p t i o n . I n p a r t i c u l a r , i t m i g h t
h a p p e n t h a t w h e n t h e p r i m a r y t u m o r r e a c h e s a c e r t a i n s i z e t h e r a t e o f T
r e g
p r o d u c t i o n i s l i m i t i n g f o r f u r t h e r g r o w o f b o t h t h e p r i m a r y t u m o r a n d o f i t s
m e t a s t a s e s . C o n s e q u e n t l y , t h e D M R p r e d i c t s t h a t , s o m e t i m e s , w h e n t h e p r i -
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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2 2 C l a u d i o M a t t i u s s i
m a r y t u m o r i s s u r g i c a l l y r e m o v e d , i t s m e t a s t a s e s w i l l b e o b s e r v e d t o r e s u m e
t h e i r f o r m e r l y a r r e s t e d g r o w t h . T h i s p h e n o m e n o n i s i n d e e d o b s e r v e d i n c a n c e r
p a t i e n t s [ C a r m o n a B a y o n a s , A . , 2 0 1 1 ] .
A n o t h e r o b s e r v a t i o n t h a t a p p e a r s p u z z l i n g f r o m t h e S M T p e r s p e c t i v e i s
t h e e x i s t e n c e o f a d o u b l e p e a k i n t h e d e l a y o f r e c u r r e n c e o f t r e a t e d t u m o r s
[ R e t s k y , M . . W . a n d D e m i c h e l i , R . a n d H r u s h e s k y , W . J . M . a n d B a u m , M . a n d
G u k a s , I . D . , 2 0 0 8 ] . I n t h e l i g h t o f t h e S M T , i f a m a l i g n a n t t u m o r i s c o m p l e t e l y
e r a d i c a t e d b e f o r e i t c a n s h e d m e t a s t a s e s , o n e w o u l d n o t e x p e c t a n y r e c u r r e n c e .
I f , i n s t e a d , t h e t u m o r i s i n c o m p l e t e l y t r e a t e d , l e a v i n g b e h i n d s o m e c e l l s o f t h e
p r i m a r y t u m o r , o r i f i t i s t r e a t e d a f t e r t h e s h e d d i n g o f m e t a s t a s e s , o n e w o u l d
e x p e c t a t e m p o r a l d i s t r i b u t i o n o f r e c u r r e n c e s w i t h a s i n g l e p e a k . T h e D M R
p r e d i c t s i n s t e a d t h a t i f t h e p r i m a r y t u m o r i s c o m p l e t e l y e r a d i c a t e d b e f o r e i t
c a n s h e d v i a b l e m e t a s t a s e s , o n l y t h e c o l o n y o f S M M w i l l r e m a i n i n t h e p a t i e n t .
O t h e r w i s e , a f t e r t h e t r e a t m e n t t h e r e w i l l b e , b e s i d e s t h e c o l o n y o f S M M , s o m e
c e l l s o f t h e p r i m a r y t u m o r o r s o m e o f i t s m e t a s t a s e s . T h e d o u b l e p e a k o f
r e c u r r e n c e s i s p r e d i c t e d o n t h e b a s i s o f t h e e x p e c t a t i o n t h a t t h e t i m e r e q u i r e d
f o r t h e m u t a t i o n l e a d i n g t o t h e o u t g r o w t h o f a n o t h e r S M M b e d i e r e n t f r o m
t h e t i m e r e q u i r e d f o r t h e r e g r o w t h o f t h e c e l l s s e e d e d b y t h e p r i m a r y t u m o r .
M a n y o t h e r p r e d i c t i o n s c a n b e m a d e b a s e d o n t h e t e n e t s o f t h e D M R .
R a t h e r t h a n e x p l o r i n g t h e m o n e b y o n e , t h e f o r m u l a t i o n a n d t h e c o m p a r i s o n
w i t h t h e o b s e r v a t i o n s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e o f t h e p r e d i c t e d e e c t o f , f o r
e x a m p l e , t h e c o m p l e t e a b l a t i o n o f t h e T
r e g
p o p u l a t i o n [ C o l o m b o , M . P . a n d
P i c o n e s e , S . , 2 0 0 7 ] , o r t h a t o f t h e A P C p o p u l a t i o n [ G i l b o a , E . , 2 0 0 4 ] , o r t h a t
o f t h e t u m o r - i n l t r a t i n g T
r e g
p o p u l a t i o n [ Y u , P a n d L e e , Y . a n d L i u , W . a n d
K r a u s z , T . a n d C h o n g , A . e t a l . , 2 0 0 5 ] , t h e i n h i b i t i o n o f T
r e g
m i g r a t i o n t o
t h e t u m o r [ B y r n e , W . L . a n d M i l l s , K . H . G . a n d L e d e r e r , J . A . a n d O ' S u l l i v a n ,
G . C . , 2 0 1 1 ] , t h e e e c t o f t h e i n o c u l a t i o n o f a c t i v a t e d A P C l o a d e d w i t h t u m o r
a s s o c i a t e d a n t i g e n s [ T a c k e n , P . J . a n d d e V r i e s , I . J . M . a n d T o r e n s m a , R . a n d
F i g d o r , C . G . , 2 0 0 7 ] , t h e i n o c u l a t i o n o f a c t i v a t e d A P C c o m p l e t e l y s t r i p p e d o f
t h e i r p M H C a n d t h a t o f a c t i v a t e d T
c
[ M a p a r a , M . Y . a n d S y k e s , M . , 2 0 0 4 ] i s
l e f t a s a n e x e r c i s e f o r t h e r e a d e r .
7
4 . 4 F i x i n g t h e s y s t e m : c a n c e r p r o p h y l a x i s a n d t h e r a p y
T h e s c e n a r i o o f c a n c e r d e v e l o p m e n t p r e d i c t e d b y t h e D M R c o n t a i n s t h r e e
m a i n t r a n s i t i o n s : t h a t f r o m a n o r m a l c e l l t o a c e l l c l o n e c h a r a c t e r i z e d b y
t h e c o n t r o l l e d p r o l i f e r a t i o n w h i c h g e n e r a t e s t h e S S M ; t h e t r a n s i t i o n f r o m t h e
l a t t e r t o a c e l l c l o n e w i t h c o n t r o l l e d p r o l i f e r a t i o n a n d m e t a s t a t i c c h a r a c t e r
w h i c h c o n s t i t u t e s t h e S M M ; a n d t h e t r a n s i t i o n f r o m t h e l a t t e r t o t h e c l o n e
w i t h u n c o n t r o l l e d p r o l i f e r a t i o n a n d m e t a s t a t i c c h a r a c t e r t h a t f o r m s t h e p r i -
m a r y t u m o r a n d i t s m e t a s t a s e s . T h e D M R d o e s n o t i n c l u d e a m e c h a n i s t i c
7
T h i s l i t t l e p r o v o c a t i o n w a s i n s p i r e d b y t h e f o l l o w i n g s t a t e m e n t b y R u s s o [ R u s s o , L . ,
2 0 0 4 , p . 1 8 ] : A s i m p l e c r i t e r i o n t o v e r i f y w h e t h e r a t h e o r y i s s c i e n t i c i s t o c h e c k w h e t h e r
o n e c a n c o m p i l e a n e x e r c i s e m a n u a l ; i f t h a t i s n o t p o s s i b l e , i t ' s c e r t a i n l y n o t a s c i e n t i c
t h e o r y .
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 2 3
m o d e l o f t h e s e t h r e e c r u c i a l t r a n s i t i o n s a n d j u s t a s s u m e s t h a t t h e y c a n h a p -
p e n w i t h a c e r t a i n p r o b a b i l i t y . D u e t o t h e q u a l i t a t i v e c h a r a c t e r o f t h e D M R
t h e p r o b a b i l i t i e s n e e d n o t e v e n b e s p e c i e d , g r a n t e d t h a t t h e y a l l a r e p o s i -
t i v e . N o n e t h e l e s s , a n i n t e r v e n t i o n c a p a b l e o f b l o c k i n g a n y o f t h e s e t r a n s i t i o n s
w o u l d o b v i o u s l y p r e v e n t t h e d e v e l o p m e n t o f c a n c e r . T h u s , i n t h e s e a r c h f o r
c a n c e r p r o p h y l a x e s a n d t h e r a p i e s t h e d e v e l o p m e n t o f a n a d e q u a t e m e c h a n i s t i c
m o d e l f o r t h e s e t r a n s i t i o n s w o u l d l i k e l y p r o v i d e a l e v e l o f c o n t r o l o v e r c a n -
c e l d e v e l o p m e n t e v e n g r e a t e r t h a n t h a t p r o v i d e d b y a n a d e q u a t e m e c h a n i s t i c
m o d e l o f t h e I S .
N o t e t h a t t h e e e c t o f c h r o n i c i n a m m a t i o n h a s b e e n c i t e d a s a p o s s i b l e
f a c i l i t a t i n g f a c t o r f o r c a n c e r d e v e l o p m e n t [ S m i t h e r s , D . W . , 1 9 6 2 ] . I n f a c t ,
a c c o r d i n g t o t h e D M R t h e p r e s e n c e o f i n a m m a t i o n i n t h e a b s e n c e o f i n f e c t i o n
w o u l d r e s u l t i n t h e A P C p r o d u c i n g h e a l i n g a n d g r o w t h f a c t o r s . T h i s w o u l d
l e a d t o a n i n c r e a s e d p r o l i f e r a t i o n a n d t u r n o v e r o f c e l l s , w i t h t h e a c c o m p a n y i n g
i n c r e a s e d a c c u m u l a t i o n o f m u t a t i o n s f a v o r i n g t h e e m e r g e n c e o f t h e c e l l c l o n e s
f o r m i n g t h e S S M a n d S M M . I n t h i s l i g h t , a s t r a t e g y o f c a n c e r p r e v e n t i o n
b a s e d o n t h e p r e v e n t i o n o f c h r o n i c i n a m m a t i o n c o u l d b e e n v i s a g e d [ D a l g l e i s h ,
A . G . a n d H a e f n e r , B . , 2 0 0 6 ] . N o n e t h e l e s s , i n t h e a b s e n c e o f a n u n e q u i v o c a l
m o d e l f o r t h e i n i t i a t i n g f a c t o r s w e a r e f o r c e d t o s e t t l e f o r i n t e r v e n t i o n s w h i c h
a s s u m e t h a t o n e o r m o r e o f t h e t r a n s i t i o n s t o o v e r t c a n c e r h a v e a l r e a d y b e e n
c r o s s e d . L e t m e a s s u m e t h a t , i n t h e c o n t e x t o f t h e D M R , a p r i m a r y t u m o r
w i t h d i s s e m i n a t e d m e t a s t a s e s h a s a l r e a d y d e v e l o p e d . T h i s s t a t e o f t h i n g s
i m p l i e s a n d r e q u i r e s t h e p r e s e n c e o f a c o l o n y o f S M M t h a t p r o d u c e t h e
T S A
T
r e g
c o n s u m e d b y t h e p r i m a r y t u m o r a n d b y i t s m e t a s t a s e s . T h u s , i f w e c o u l d n d
a w a y t o r e m o v e a l l t h e S M M , t h e s u p p l y o f
T S A
T
r e g
w o u l d s t o p a n d t h e
p r i m a r y t u m o r a l o n g w i t h i t s m e t a s t a s e s w o u l d e v e n t u a l l y b e c l e a r e d b y t h e
i m m u n e s y s t e m . T h e D M R t e l l s u s t h a t t h e r e i s a s i m p l e s t r a t e g y t o a c h i e v e
t h a t r e s u l t , w h i c h d o e s n o t i m p l y s u r g e r y , c y t o c i d a l i r r a d i a t i o n , o r c y t o t o x i c
c h e m o t h e r a p y .
F r o m t h e D M R f o l l o w s t h a t t h e c o n t i n u e d p r o d u c t i o n o f t h e
T S A
T
r e g
b y
t h e S M M a n d t h e p r o t e c t i o n o f t h e S M M f r o m i m m u n e a t t a c k r e q u i r e s t h e
p e r m a n e n c e o f t h e S M M i n s t e a d y s t a t e , t h a t i s , t h e a b s e n c e o f d a n g e r s i g n a l s
i n t h e i r s u r r o u n d i n g s . T h i s m e a n s t h a t s i m p l y b y c r e a t i n g a n d m a i n t a i n i n g
d a n g e r s i g n a l s ( a n d t h e c o i n c i d e n t a l i n a m m a t i o n ) i n t h e S M M s u r r o u n d i n g s
w e c a n s t o p t h e p r o d u c t i o n o f
T S A
T
r e g
. C o n s e q u e n t l y , t h e S M M , t h e p r i m a r y
t u m o r , a n d i t s m e t a s t a s e s w i l l a l l b e c o n s u m i n g t h e e x i s t i n g s t o c k o f
T S A
T
r e g
,
w h i c h w i l l b e n o l o n g e r r e p l e n i s h e d . O n c e t h e s t o c k o f i s e x h a u s t e d , b o t h t h e
p r i m a r y t u m o r w i t h i t s m e t a s t a s e s a n d t h e S M M , b e i n g a l l s e a t s o f d a n g e r
s i g n a l s , w i l l b e c l e a r e d b y t h e I S .
8
N o t e t h a t d e s p i t e t h e n o n - s p e c i c i t y o f t h e r e q u i r e d d a n g e r s i g n a l s , t h i s
k i n d o f c a n c e r t h e r a p y i s n o t o n l y a n t i g e n - s p e c i c ; i t i s a l s o p a t i e n t - s p e c i c
b y d e f a u l t . I t s a p p l i c a t i o n i m p l i e s o b v i o u s l y t h e a v a i l a b i l i t y o f t e c h n i q u e s f o r
t h e l o c a l i z a t i o n o f t h e S M M a n d f o r t h e c r e a t i o n a n d m a i n t e n a n c e o f g e n e r i c
8
N o t e t h a t i f t h e s i t e s w h e r e S M M a r e l o c a t e d a r e a l s o s i t e s o f e c t o p i c e x p r e s s i o n o f h o s t
T R A , t h e c o r r e s p o n d i n g t i s s u e s m u s t b e p r o t e c t e d f r o m i n a m m a t i o n d u r i n g t h e t h e r a p y .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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2 4 C l a u d i o M a t t i u s s i
d a n g e r s i g n a l s i n c o r r e s p o n d e n c e o f t h e S M M l o c a t i o n s . A s n o t e d a b o v e , t h e
m o s t p r o d u c t i v e a n d t h u s m o r e d a n g e r o u s S M M c o l o n i e s w i l l p r e s u m a b l y b e
f o u n d i n s p e c i a l s i t e s o f t h e l y m p h a t i c s y s t e m s u c h a s t h e s p l e e n a n d t h e b o n e
m a r r o w [ Z h a o , E . a n d X u , H . a n d W a n g , L . a n d K r y c z e k , I . a n d W u , K . e t
a l . , 2 0 1 2 ] . T h e r e q u i r e d d a n g e r s i g n a l s c o u l d b e p r o d u c e d , f o r e x a m p l e , b y
m i l d l o c a l i z e d i r r a d i a t i o n , b y a d j u v a n t s [ G a l l u c c i , S . a n d L o l k e m a , M . a n d
M a t z i n g e r , P . , 1 9 9 9 ] , a n d e v e n b y c o n t r o l l e d p a t h o g e n i c o r n o n - p a t h o g e n i c
m i c r o o r g a n i s m s p r e a d . I n f a c t , w e c o u l d c o n j e c t u r e t h a t s o m e c a s e s o f s p o n -
t a n e o u s r e g r e s s i o n o f c a n c e r i n t h e p r e s e n c e o f i n f e c t i o n [ H o p t i o n C a n n , S . A .
a n d v a n N e t t e n , J . P . a n d v a n N e t t e n , C . a n d G l o v e r , D . W . , 2 0 0 2 ] a n d t h e
r e g r e s s i o n s o b s e r v e d f o l l o w i n g t h e i n j e c t i o n o f C o l e y ' s t o x i n [ S t a r n e s , C . O . ,
1 9 9 2 ] a n d b a c i l l u s C a l m e t t e - G u é r i n [ T e r r y , W . D . , 1 9 7 5 ] a r e t h e c o n s e q u e n c e
o f t h e e n s u i n g c o i n c i d e n t a l g e n e r a t i o n o f d a n g e r s i g n a l s a t t h e S M M s i t e s .
N o t e a l s o t h a t t h e l o c a l i z a t i o n o f e x i s t i n g S M M a n d S S M , a n d t h e g e n e r a t i o n
a n d m a i n t e n a n c e o f d a n g e r s i g n a l s a t t h e i r l o c a t i o n b e f o r e t h e d e v e l o p m e n t o f
a p r i m a r y t u m o r c o n s t i t u t e s a p r i m a r y p r o p h y l a x i s o f c a n c e r .
I n t h e l i g h t o f t h e D M R w e c a n i n s t e a d m a i n t a i n t h a t t h e c o m p l e t e a b l a t i o n
o f t h e
T S A
T
r e g
d o e s n o t c o n s t i t u t e a r e s o l u t i v e c a n c e r t h e r a p y . T h e a b l a t i o n
o f t h e
T S A
T
r e g
w o u l d i n d e e d e x p o s e t h e p r i m a r y t u m o r a n d i t s m e t a s t a s e s t o
t h e a t t a c k o f t h e I S . H o w e v e r , f o r l a c k o f d a n g e r s i g n a l s t h e S M M w i l l n o t
b e a t t a c k e d a n d w i l l c o n t i n u e t o p r o d u c e
T S A
T
r e g
.
9
O n t h e o n e h a n d t h i s
i m p l i e s t h a t t h e r e i s t h e p o s s i b i l i t y t h a t t h e a b l a t i o n o f t h e
T S A
T
r e g
m u s t b e
r e p e a t e d s e v e r a l t i m e s b e f o r e t h e p r i m a r y t u m o r a n d i t s m e t a s t a s e s a r e c l e a r e d .
M o r e o v e r , e v e n a f t e r t u m o r e r a d i c a t i o n t h e c o l o n y o f S M M w i l l p e r s i s t a n d
m i g h t t h u s l e a d t o a r e c u r r e n c e o f t h e d i s e a s e . A n o t h e r s t r a t e g y t h a t c o u l d
b e e e c t i v e i n p r o d u c i n g a n i m m u n e a t t a c k o f t h e t u m o r b u t p r e s e n t s t h e
p r o b l e m o f S M M p e r m a n e n c e i s t h e d r u g - i n d u c e d t e m p o r a r y i n h i b i t i o n o f a l l
T
r e g
p r o d u c t i o n . T h i s s t r a t e g y h a s a l s o t h e d r a w b a c k o f p o s s i b l e a u t o i m m u n e
s i d e - e e c t s .
I n c i d e n t a l l y , i n t h e l i g h t o f t h e D M R a n a n t i g e n - s p e c i c T
r e g
a b l a t i o n
s t r a t e g y c o u l d i n s t e a d b e e e c t i v e i n t h e c a s e o f c h r o n i c i n f e c t i o n s t h a t f o l -
l o w f r o m t h e m a n i p u l a t i o n o f t h e I S b y a p a t h o g e n [ B e l k a i d , Y . , 2 0 0 7 ] o r
f r o m a h o s t - p a t h o g e n c o m p r o m i s e [ R o u s e , B . T . a n d S u v a s , S . , 2 0 0 4 ] , p r o v i d e d
t h e c h r o n i c i z a t i o n i s n o t b a s e d o n t h e e s t a b l i s h m e n t o f a p r o t e c t e d s o u r c e o f
p a t h o g e n - s p e c i c T
r e g
. F o r e x a m p l e , D a s , B . a n d K a s h i n o , S . S . a n d P u l u ,
I . a n d K a l i t a , D . e t a l . [ 2 0 1 3 ] r e p o r t t h a t M y c o b a c t e r i u m t u b e r c u l o s i s ( M t b )
m a y m a i n t a i n l o n g - t e r m i n t r a c e l l u l a r v i a b i l i t y i n a h u m a n b o n e m a r r o w . I n
t h e l i g h t o f t h e D M R , t h e s e p r o t e c t i v e c e l l u l a r n i c h e s w h e r e M t b p e r s i s t s a n d
w h i c h a r e h i g h l y t r a c k e d b y l y m p h o c y t e s c a n a c t j u s t a s t h i s p r o t e c t e d s o u r c e
o f p a t h o g e n - s p e c i c T
r e g
. H o w e v e r , e v e n e x c l u d i n g t h i s c a s e ( f o r w h i c h , t a k i n g
i n s p i r a t i o n f r o m t h e c a s e o f c a n c e r , o n e c a n a p p l y t h e s t r a t e g y o f g e n e r a t i n g
a n d m a i n t a i n i n g d a n g e r s i g n a l s i n t h e n i c h e s w h e r e t h e p a t h o g e n s p e r s i s t ) ,
9
I n t h i s d e s c r i p t i o n I a m n o t c o n s i d e r i n g t h e r o l e o f h u m o r a l i m m u n e r e s p o n s e , w h o s e
m o d e l t h e D M R i n h e r i t s f r o m t h e D M . T a k i n g i t i n t o a c c o u n t w o u l d l e a d t o t h e p o s s i b l e
p r o d u c t i o n o f a n t i b o d i e s f o r t h e T S A , w h i c h m i g h t o p s o n i z e t h e c e l l s o f t h e S M M a n d l e a d
t o t h e i r d e m i s e e v e n w i t h o u t p r i o r i n a m m a t i o n .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 2 5
t h e d i r e c t a b l a t i o n o f t h e e x i s t i n g p a t h o g e n - s p e c i c T
r e g
p o p u l a t i o n a p p e a r s
i n e x p e d i e n t . B e i n g a n t i g e n - s p e c i c , t h e a b l a t i o n c o n s i d e r e d a s a p a t t e r n -
r e c o g n i t i o n t a s k a p p e a r s a l m o s t a s d i c u l t a s t h e d i r e c t a n t i g e n - s p e c i c
a b l a t i o n o f t h e p a t h o g e n . H o w e v e r , o n e c o u l d i m a g i n e a p p l y i n g t h e f o l l o w i n g
t e c h n i q u e t o i n d i r e c t l y p r o d u c e a p a t h o g e n - s p e c i c T
r e g
a b l a t i o n w i t h o u t a n y
p a t t e r n - r e c o g n i t i o n e o r t . T h i s t e c h n i q u e i s i n s p i r e d b y t h e s y s t e m r e s t o r e
s t r a t e g y a d o p t e d b y s o m e c o m p u t e r o p e r a t i n g s y s t e m s ( O S ) .
A n u n e x p e c t e d s i d e - e e c t o f a s o f t w a r e i n s t a l l a t i o n o r O S u p d a t e c a n r e n -
d e r a c o m p u t e r u n u s a b l e . T o a v o i d a c o m p l e t e r e i n s t a l l a t i o n o f t h e s y s t e m
s o m e O S g e n e r a t e a r e s t o r e p o i n t a t p r e d e n e d i n t e r v a l s a n d b e f o r e e v e r y m a -
j o r s o f t w a r e u p d a t e . I n t h i s w a y , i f t h e c o m p u t e r b e c o m e s u n s t a b l e a f t e r t h e
o p e r a t i o n , t h e u s e r h a s t h e o p t i o n o f e x e c u t i n g a r o l l - b a c k t o a p r e v i o u s w o r k -
i n g s y s t e m c o n g u r a t i o n . T h e a p p l i c a t i o n o f t h i s s t r a t e g y c o u l d b e i m a g i n e d
i n t h e c o n t e x t o f t h e D M R . A n I S r e s t o r e p o i n t w o u l d b e r e p r e s e n t e d b y a
s t o r e d s a m p l e o f t h e T
r e g
p o p u l a t i o n , a n d m i g h t b e e x e c u t e d a t r e g u l a r i n t e r -
v a l s . I n t h e p r e s e n c e o f a c h r o n i c i n f e c t i o n t h a t i s m a i n t a i n e d b y a n e x i s t i n g
a n d n o t r e n e w i n g p o p u l a t i o n o f p a t h o g e n - s p e c i c T
r e g
, o n e c o u l d a b l a t e a l l t h e
T
r e g
p o p u l a t i o n a n d r e c o n s t i t u t e i t w i t h a p o p u l a t i o n g e n e r a t e d f r o m t h e m o s t
r e c e n t i n f e c t i o n - f r e e s a m p l e . A n i n t e r e s t i n g q u e s t i o n r a i s e d b y t h i s h y p o t h e t -
i c a l t h e r a p y i s t h e ( p o s s i b l e r e j u v e n a t i n g ) e e c t o f t h e r o l l - b a c k o n c e l l s a n d
t i s s u e s t h a t a r e n o t i n f e c t e d b u t a r e i n a m e d a t t h e t i m e o f t h e r e i n o c u l a t i o n
a n d h a v e c h a n g e d t h e i r a n t i g e n r e p e r t o i r e a s a c o n s e q u e n c e o f n o r m a l a g i n g .
4 . 5 M o r e m e n d i n g : a u t o i m m u n e d i s e a s e s a n d t r a n s p l a n t r e j e c t i o n
T h e d e n i t i o n o f t h e D M R w a s t h e r e s u l t o f a p r o b l e m - d r i v e n p r o c e s s w h e r e t h e
p r o b l e m i s t h e p r o g r e s s i o n o f c a n c e r i n i m m u n o c o m p e t e n t i n d i v i d u a l s . T h e
m o d e l o f c a n c e r d e v e l o p m e n t t h a t e n s u e d r e v e a l e d t h a t , a f t e r a l l , c a n c e r i s n o t
a m a l f u n c t i o n o f t h e I S . I t i s i n s t e a d t h e c o n s e q u e n c e o f t h e n o r m a l w o r k i n g
o f t h e h u m a n I S , c o m b i n e d w i t h a n e v o l u t i o n a r y p r o c e s s t h a t t a k e s p l a c e i n
t h e h o s t a n d r e s u l t s i n t h e d e v e l o p m e n t o f a T
r e g
p r o t e c t i o n f o r t i s s u e s t h a t ,
f o r t h e w e l l - b e i n g o f t h e h o s t , s h o u l d n o t b e p r o t e c t e d . I n t h i s p e r s p e c t i v e ,
a u t o i m m u n e d i s e a s e s r e p r e s e n t a p r o b l e m c o m p l e m e n t a r y t o c a n c e r b e c a u s e
t h e y a r e d u e t o t h e l a c k o f T
r e g
p r o t e c t i o n f o r t i s s u e s t h a t s h o u l d b e p r o t e c t e d .
L e t m e c o n s i d e r a s a r s t e x a m p l e t y p e 1 d i a b e t e s ( T 1 D ) . A s i n t h e c a s e o f
c a n c e r , t h e i n i t i a t i n g f a c t o r i s o f s o m e w h a t u n d e n e d a n d p r o b a b l y m u l t i p l e
o r i g i n [ K n i p , M . a n d S i m e l l , O . , 2 0 1 2 ] . I n T 1 D t h e i n i t i a t i n g f a c t o r l e a d s t o a n
i n a m m a t i o n o f t h e p a n c r e a s . A c c o r d i n g t o t h e D M R , t h i s i n a m m a t i o n w i l l
a c t i v a t e t h e l o c a l A P C , w h i c h w i l l t h e n m i g r a t e t o t h e d r a i n i n g l y m p h n o d e s
a n d p r e s e n t t h e e n g u l f e d a n t i g e n s t o t h e T
r e g
p o o l . N o r m a l l y , t h i s p r o c e s s
w o u l d r e s u l t i n t h e s t r i p p i n g o f A P C o f a l l t h e p M H C w i t h t h e e x c e p t i o n o f
t h o s e c a r r y i n g p a t h o g e n a n t i g e n s , i f a n y . T h u s , i n t h e p r e s e n c e o f p a t h o g e n s
t h e r e a c t i o n w o u l d b e a n i m m u n e a t t a c k t o w a r d s t h e p a t h o g e n . I n t h e a b s e n c e
o f p a t h o g e n s t h e A P C w o u l d p r o d u c e r e g e n e r a t i v e s i g n a l s t h a t m i g h t p o s s i b l y
l e a d t o a r e o r g a n i z a t i o n o f t h e t i s s u e t h a t a l l e v i a t e s t h e e x i s t i n g s t r e s s .
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2 6 C l a u d i o M a t t i u s s i
I t m a y h a p p e n , h o w e v e r , t h a t s o m e o f t h e a n t i g e n s t h a t c h a r a c t e r i z e t h e
i n s u l i n p r o d u c i n g
β- c e l l s o f t h e p a n c r e a s a r e T R A ( t i s s u e r e s t r i c t e d a n t i g e n s ) .
T h i s m e a n s t h a t t h e s e a n t i g e n s a r e n o t e x p r e s s e d e l s e w h e r e i n t h e b o d y .
C o n s e q u e n t l y , t h e e x i s t i n g i n a m m a t i o n w o u l d c o n s u m e t h e e x i s t i n g s t o c k
o f
T R A
T
r e g
a n d , i f t h e i n a m m a t i o n p e r s i s t s l o n g e n o u g h , t h i s w o u l d l e a d t o
t h e i m m u n e a t t a c k a n d d e s t r u c t i o n o f t h e
β- c e l l s . R e p e a t e d r o u n d s o f i n a m -
m a t i o n w o u l d p r o g r e s s i v e l y e r o d e t h e e x i s t i n g p o p u l a t i o n o f β
- c e l l s a n d l e a d
t o t h e m a n i f e s t a t i o n o f t h e i n s u l i n - r e l a t e d s y m p t o m s o f T 1 D .
T h e p o s s i b i l i t y o f t h i s k i n d o f e e c t w a s p r e d i c t e d w h i l e i n t r o d u c i n g t h e
D M R . A c c o r d i n g t o t h e D M R a n y t i s s u e h a r b o r i n g T R A i s a t r i s k o f i m m u n e
a t t a c k a s a c o n s e q u e n c e o f p r o t r a c t e d i n a m m a t i o n . T h i s i s a t r a d e o t h a t
i s r e l a t e d t o t h e d e c i s i o n b y e v o l u t i o n t o a d o p t p l a s t i c T
r e g
. T h e s u r p r i s i n g
t h i n g , t h e n , i s t h e v e r y e x i s t e n c e o f T R A , s i n c e e v o l u t i o n s h o u l d h a v e o p e r a t e d
s o a s t o p r e v e n t i t . I n d e e d , t h e r e i s e v i d e n c e t h a t t h e a c t i v a t i o n o f t h e A I R E
g e n e m e n t i o n e d a b o v e l e a d s a l s o t o t h e e x p r e s s i o n o f t h e β
- c e l l r e l a t e d p r o t e i n s
t h a t a p p e a r a s T R A i n t h e a u t o i m m u n e a t t a c k l e a d i n g t o T 1 D [ A n d e r s o n , M . S .
a n d V e n a n z i , E . S . a n d K l e i n , L . a n d C h e n , A . a n d B e r z i n s , S . P . e t a l . , 2 0 0 2 ] .
I t h a s b e e n h y p o t h e s i z e d t h a t t h e p o s t - t r a n s l a t i o n a l m o d i c a t i o n s t h a t a r e
p e r f o r m e d i n t h e
β- c e l l s o f t h e p a n c r e a s d i e r f r o m t h o s e p e r f o r m e d i n t h e
t i s s u e s t h a t e x p r e s s t h e A I R E g e n e [ D i e z , J . a n d P a r k , Y . a n d Z e l l e r , M . a n d
B r o w n , D . a n d G a r z a , D . e t a l . , 2 0 0 1 ] . C o n s e q u e n t l y , t h e p r o t e i n s p r o d u c e d
i n t h e p a n c r e a s a r e s l i g h t l y d i e r e n t f r o m t h o s e p r o d u c e d e c t o p i c a l l y . I f t h e
d i e r e n c e s a r e s i n g l e d o u t i n t h e p r o c e s s i n g o f t h e s e p r o t e i n s f o r p r e s e n t a -
t i o n o n M H C m o l e c u l e s , t h e T
r e g
p r o d u c e d e c t o p i c a l l y w o u l d n o t p r o t e c t t h e
p a n c r e a s c e l l s . T h i s f u r t h e r c o n d i t i o n f o r t h e e m e r g e n c e o f t h e a u t o i m m u n e
a t t a c k e x p l a i n s t h e i n u e n c e o n t h e d i s e a s e o f t h e g e n e s e n c o d i n g t h e M H C
m o l e c u l e s [ N o b l e , J . A . a n d E r l i c h , H . A . , 2 0 1 2 ] .
T h e r e i s n a l l y a d e p e n d e n c e o f T 1 D o n e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s t h a t l e d
t o t h e f o r m u l a t i o n o f t h e s o - c a l l e d h y g i e n e h y p o t h e s i s , a c c o r d i n g t o w h i c h
t h e l a c k o f c h i l d h o o d c o n t a c t w i t h c e r t a i n p a t h o g e n s , g u t b a c t e r i a , a n d f o o d s
f a v o r s t h e l a t e r e m e r g e n c e o f a u t o i m m u n e d i s e a s e s s u c h a s T 1 D [ B a c h , J . - F .
a n d C h a t e n o u d , L . , 2 0 1 2 ] . I n t h e l i g h t o f t h e D M R t h e p r o t e c t i o n s h o u l d b e
d u e t o p r o t e c t i v e
1 0
m o l e c u l a r m i m i c r y , t h a t i s , t h e s i m i l a r i t y o f s o m e e p i t o p e s
o f t h e p a t h o g e n a n d b a c t e r i a a n t i g e n s w i t h t h e T R A o f t h e t i s s u e s t h a t s h o u l d
b e p r o t e c t e d b y T
r e g
b u t a r e n o t [ L a t h r o p , S . K . a n d B l o o m , S . M . a n d R a o ,
S . M . a n d N u t s c h , K . a n d L i o , C . - W . e t a l . , 2 0 1 1 ] . O f c o u r s e , t h e g e n e r a t i o n
o f t h e
T R A
T
r e g
r e q u i r e s t h e a b s e n c e o f i n a m m a t i o n a n d m i g h t b e d u e t o a n
a s y m p t o m a t i c c o l o n i z a t i o n o f t h e h o s t ( o n t h e o t h e r h a n d , a r e c r u d e s c e n c e
o f t h e p a t h o g e n i n f e c t i o n w o u l d i n h i b i t t h e T
r e g
p r o d u c t i o n a n d c o u l d l e a d
t o a r e l a p s e [ C h r i s t e n , U . a n d v o n H e r r a t h , M . G . , 2 0 0 5 ] , a l t h o u g h f o r r e a -
s o n s o p p o s i t e t o t h e o n e s t y p i c a l l y i n v o k e d ) . A n e n d e m i c c o l o n i z a t i o n o f t h i s
k i n d i n a n e v o l u t i o n a r i l y s i g n i c a n t p a s t c o u l d h a v e l e d t o a r e d u c t i o n o f t h e
s e l e c t i o n p r e s s u r e a g a i n s t p o s t - t r a n s l a t i o n a l m o d i c a t i o n t h a t i n t r o d u c e s d i f -
1 0
T y p i c a l l y , m o l e c u l a r m i m i c r y i s c o n s i d e r e d a s p o s s i b l e s o u r c e o f a u t o i m m u n e a t t a c k
r a t h e r t h a n a s a p r o t e c t i v e e l e m e n t [ F a s a n o , A . a n d S h e a - D o n o h u e , T . , 2 0 0 5 ] .
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 2 7
f e r e n c e s b e t w e e n t h e f u n c t i o n a l l y e x p r e s s e d a n d t h e A I R E - e x p r e s s e d a n t i g e n s
[ E m b r y , A . F . , 2 0 0 4 ] .
T o f o r m u l a t e a T 1 D t h e r a p y i n t h e l i g h t o f D M R o n e c a n t a k e i n s p i r a t i o n
f r o m t h e s t r a t e g y p u r s u e d b y c a n c e r i n t h e e s t a b l i s h m e n t o f i t s i m m u n e
p r o t e c t i o n . T h i s m e a n s i d e n t i f y i n g t h e T R A t h a t a r e t h e o b j e c t i v e o f i m m u n e
a t t a c k i n T 1 D a n d e s t a b l i s h i n g c o l o n i e s o f c e l l s c a r r y i n g t h e s e T R A ( o r s o m e
t e c h n o l o g i c a l s u r r o g a t e s u c h a s , e . g . , c o a t e d b e a d s [ Z h a n g , L . a n d G u , F . X . a n d
C h a n , J . M . a n d W a n g , A . Z . a n d L a n g e r , R . S . e t a l . , 2 0 0 7 ] ) . T h e s e c o l o n i e s
s h o u l d b e p r e f e r e n t i a l l y e s t a b l i s h e d i n l o c a t i o n s o f h i g h l y m p h o c y t e t r a c
( e . g . , t h e b o n e - m a r r o w ) s o a s t o p e r m i t t h e p r o d u c t i o n o f a n u m b e r o f
T R A
T
r e g
s u c i e n t f o r t h e p r o t e c t i o n , i n t h i s c a s e , o f t h e p a n c r e a s
β- c e l l s . N o t e t h a t
o n c e a s u p p l y o f
T R A
T
r e g
i s e n s u r e d , t h e p r e s e n c e o f d a n g e r s i g n a l s a n d o f
t h e c o n s e q u e n t i n a m m a t i o n i n t h e p a n c r e a s ( p o s s i b l y e v e n t h e r a p e u t i c a l l y
i n d u c e d ) w o u l d r e s u l t , b y t h e p r i n c i p l e s o f t h e D M R , i n t h e p r o d u c t i o n o f
h e a l i n g s i g n a l s t h a t m i g h t l e a d t o t h e r e g e n e r a t i o n o f t h e l o s t o r e x h a u s t e d
β- c e l l s . F i n a l l y , a l s o i n t h i s c a s e w e c a n o b s e r v e t h a t t h e i n v i t r o p r o d u c t i o n
a n d s u c c e s s i v e i n o c u l a t i o n o f
T R A
T
r e g
i s a n i n f e r i o r t h e r a p e u t i c o p t i o n w i t h
r e s p e c t t o t h e e s t a b l i s h m e n t o f a c o l o n y o f
T R A
T
r e g
p r o d u c i n g a g e n t s , b e c a u s e
a g i n g a n d i n a m m a t i o n s o f t h e
β- c e l l s w o u l d d e p l e t e t h e s t o c k o f
T R A
T
r e g
a n d
r e q u i r e p e r i o d i c
T R A
T
r e g
r e i n o c u l a t i o n s .
A l t e r n a t i v e l y o n e c o u l d e n v i s a g e a p r o p h y l a x i s f o r i n d i v i d u a l s a t r i s k b a s e d
o n t h e d i s a b l i n g o f t h e p l a s t i c i t y o f T
r e g
. F o r e x a m p l e , t h i s c o u l d b e r e a l i z e d b y
t a r g e t i n g a n e l e m e n t o f t h e h y p o t h e t i c a l s i g n a l i n g p a t h w a y t h a t i n t h e D M R i s
r e s p o n s i b l e f o r t h e r e t u r n o f T
r e g
t o a n o n - r e g u l a t o r y s t a t e a f t e r a n e n c o u n t e r
w i t h a n a c t i v e A P C i s s u i n g t h e c o g n a t e a n t i g e n . T h i s s t r a t e g y w o u l d p r e v e n t
o r a t l e a s t a s s u m i n g a l i m i t e d l i f e t i m e f o r T
r e g
d e l a y t h e e x h a u s t i o n o f
t h e e x i s t i n g p o o l o f
T R A
T
r e g
f o l l o w i n g t i s s u e i n a m m a t i o n . H o w e v e r , i f t h e
d i s a b l i n g o f t h e p l a s t i c i t y o f T
r e g
i s n o t a n t i g e n - s p e c i c , i t c a r r i e s t h e r i s k o f
i m m u n e e x p l o i t a t i o n ( b y , e . g . , o p p o r t u n i s t i c i n f e c t i o n s a n d m a l i g n a n c i e s ) i n -
h e r e n t i n n o n - p l a s t i c T
r e g
t h a t w a s m e n t i o n e d a b o v e w h i l e d e n i n g t h e D M R
( S e c t i o n 4 . 1 . 3 ) . O n t h e o t h e r h a n d , a n a n t i g e n - s p e c i c d i s a b l i n g o f T
r e g
c o n -
s i d e r e d , a s a b o v e , a s a p a t t e r n - r e c o g n i t i o n t a s k a p p e a r s o f d i c u l t t e c h n i c a l
i m p l e m e n t a t i o n .
T h e p r e v e n t i o n o f o t h e r a u t o i m m u n e d i s e a s e s c a n p r o c e e d a l o n g t h e l i n e s
e x p o u n d e d f o r T 1 D , p r o v i d e d o n e t a k e s i n t o a c c o u n t , i n p a r t i c u l a r , t h e p o s s i -
b l e d i e r e n t n a t u r e o f t h e i n i t i a t i n g f a c t o r . F o r e x a m p l e , t h e r e i s e v i d e n c e t h a t
i n m u l t i p l e s c l e r o s i s ( M S ) [ G o v e r m a n , J . M . , 2 0 0 9 ] t h e s t i l l p o o r l y u n d e r s t o o d
a n d p r o b a b l y m a n i f o l d i n i t i a t i n g f a c t o r s l e a d t o a n i n i t i a l d e a t h o f o l i g o d e n d r o -
c y t e s , t h e c e l l s t h a t m y e l i n a t e t h e n e u r o n a x o n s i n t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m
( C N S ) [ C o y l e , P . K . , 2 0 1 1 ] . T h e s u b s e q u e n t a u t o i m m u n e a t t a c k i s a p p a r e n t l y
d i r e c t e d a g a i n s t m y e l i n e p i t o p e s a n d , l i k e i n T 1 D , s e e m s t o b e d u e t o s l i g h t d i f -
f e r e n c e s b e t w e e n t h e m y e l i n s y n t h e s i z e d i n t h e C N S a n d t h a t e x p r e s s e d u n d e r
A I R E c o n t r o l i n t h e l y m p h a t i c s y s t e m [ A n d e r s o n , M . S . a n d V e n a n z i , E . S . a n d
K l e i n , L . a n d C h e n , A . a n d B e r z i n s , S . P . e t a l . , 2 0 0 2 ] . T h e c o n f o u n d i n g f a c t o r
i s t h a t t h e a c t u a l p r o g r e s s i o n o f t h e d i s e a s e a p p e a r s t y p i c a l l y t o b e c o m p o s e d
o f a m i x o f o l i g o d e n d r o c y t e d e s t r u c t i o n a n d r e g e n e r a t i o n .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
http://slidepdf.com/reader/full/mattiussi2013-rethinking-theoretical-biology 28/41
2 8 C l a u d i o M a t t i u s s i
I n t h e l i g h t o f t h e D M R t h i s c o u l d b e t e n t a t i v e l y e x p l a i n e d a s f o l l o w s .
F i r s t , t h e r e i s e v i d e n c e t h a t o n c e t h e o l i g o d e n d r o c y t e s a r e k i l l e d b y t h e i n i t i -
a t i n g f a c t o r t h e y a r e e c i e n t l y s c a v e n g e d b y m a c r o p h a g e s t h a t c l e a r a l l t h e
m y e l i n d e b r i s . T h u s , i n t h e C N S r e g i o n s o f o l i g o d e n d r o c y t e d e a t h t h e l o c a l
A P C ( m a i n l y m i c r o g l i a [ T a m b u y z e r , B . R . a n d P o n s a e r t s , P . a n d N o u w e n , E . J . ,
2 0 0 9 ] ) a c t i v a t e d b y t h e d a n g e r s i g n a l s w i l l n o t e n g u l f m y e l i n d e b r i s a n d , i n t h e
a b s e n c e o f p a t h o g e n s , w o u l d b e c o m p l e t e l y s t r i p p e d b y l o c a l T
r e g
. T h i s w o u l d
p r o m o t e o l i g o d e n d r o c y t e r e g e n e r a t i o n a n d a x o n r e m y e l i n a t i o n . I n f a c t , i n t h i s
s c e n a r i o , t h e m a i n t e n a n c e o f t h e i n a m m a t i o n f o r a s m a l l t i m e i n t e r v a l b e y o n d
t h e v a n i s h i n g o f t h e i n i t i a t i n g f a c t o r c o u l d l e a d t o m o r e e n c o m p a s s i n g r e g e n -
e r a t i o n [ F o o t e , A . K . a n d B l a k e m o r e , W . F . , 2 0 0 5 ] . H o w e v e r , i n t h e a b s e n c e
o f m y e l i n - s p e c i c T
r e g
p r o t e c t i o n h y p o t h e s i z e d f o r M S , t h e o l i g o d e n d r o c y t e s
o f a d j a c e n t i n a m e d r e g i o n s w i l l b e a t t a c k e d b y i m m u n e e e c t o r s . T h i s m i x
o f o l i g o d e n d r o c y t e d e a t h a n d r e g e n e r a t i o n w o u l d p r o c e e d u n t i l t h e i n i t i a t i n g
s t r e s s f a c t o r a b a t e s , l e a v i n g p r o b a b l y a s u b s t a n t i a l t o t a l d a m a g e .
O n e c a n i m a g i n e t h a t e v e n i n t h e p r e s e n c e o f a d e q u a t e m y e l i n - s p e c i c
T
r e g
p r o t e c t i o n , e a c h i n s t a n c e o f a c t i v a t i o n o f t h e i n i t i a t i n g f a c t o r w o u l d s t i l l
l e a d t o a s m a l l n e t d e m y e l i n a t i o n w h o s e e e c t s , c o n t r a r y t o t h e c a s e o f M S ,
w o u l d b e c o m e a p p a r e n t o n l y i n o l d a g e . T h i s w o u l d l e a d t o t h e l o n g r u n
c o n v e r g e n c e o f C N S d a m a g e i n l o n g - t e r m M S p a t i e n t s a n d a c l a s s o f M S - f r e e
a g i n g i n d i v i d u a l s [ C o y l e , P . K . , 2 0 1 1 ] . S u m m i n g u p , e v e n i f p r o t e c t i o n a g a i n s t
M S o v e r t d a m a g e c o u l d b e o b t a i n e d j u s t l i k e i n t h e c a s e o f T 1 D b y e s t a b l i s h i n g
s i t e s o f e c t o p i c m y e l i n - s p e c i c T
r e g
p r o d u c t i o n , t h e M S i n i t i a t i n g f a c t o r s h o u l d
a l s o b e i d e n t i e d i n o r d e r t o o b t a i n a t r u l y e n c o m p a s s i n g C N S p r o t e c t i o n .
F i n a l l y , l e t m e c o n s i d e r t h e p r o b l e m o f r e j e c t i o n i n a l l o g e n i c t i s s u e t r a n s -
p l a n t a t i o n . A f t e r a n i n i t i a l p h a s e o f t h e s o - c a l l e d d i r e c t i m m u n e a t t a c k p r o -
v o k e d b y d o n o r A P C , a n i n d i r e c t a l l o r e c o g n i t i o n p h a s e e n s u e s w h e r e t h e c e l l s
c a r r y i n g d o n o r - s p e c i c a n t i g e n s a r e a t t a c k e d b y t h e i m m u n e s y s t e m o f t h e
t r a n s p l a n t r e c i p i e n t [ W o o d , K . J . a n d B u s h e l l , A . a n d H e s t e r , J . , 2 0 1 2 ] . T h i s
l a t t e r p h a s e c a n b e a s s i m i l a t e d t o a n a u t o i m m u n e r e s p o n s e w h e r e t h e d o n o r -
s p e c i c a n t i g e n s p l a y t h e r o l e o f T R A . T h u s , a l s o i n t h i s c a s e a s t r a t e g y o f
e s t a b l i s h m e n t o f a c o l o n y o f s i t e s o f e c t o p i c d o n o r - s p e c i c T
r e g
p r o d u c t i o n c a n
b e e n v i s a g e d . O n e c o u l d e v e n c o n j e c t u r e t h a t a c o n c u r r e n t o r g a n a n d b o n e -
m a r r o w t r a n s p l a n t i s a n a t t e m p t a t e s t a b l i s h i n g j u s t t h i s k i n d o f s i t u a t i o n ,
a s s u m i n g t h a t t h e b o n e m a r r o w w a s s u c h a n e c t o p i c T
r e g
p r o d u c t i o n s i t e i n
t h e d o n o r [ P h a m , S . M . a n d R a o , A . S . a n d Z e e v i , A . a n d M c C u r r y , K . R . a n d
K e e n a n , R . J . e t a l . , 2 0 0 0 ] . I n t h e c a s e o f n o n l i v i n g d o n o r s , o n e c o u l d i m a g i n e
a n i n i t i a l p h a s e o f e e c t o r ( b u t n o t r e g u l a t o r ) i m m u n o s u p p r e s s i o n c o v e r i n g t h e
p e r i o d r e q u i r e d t o i m p l a n t t h e e c t o p i c c o l o n y o f d o n o r - s p e c i c T
r e g
p r o d u c e r s
a n d e s t a b l i s h a n a d e q u a t e s t o c k o f t r a n s p l a n t - p r o t e c t i n g T
r e g
.
N o t e t h a t o n t h e o n e h a n d o n e c o u l d s a y t h a t i n t h e p r e s e n c e o f a n e c t o p i c
c o l o n y o f d o n o r - s p e c i c T
r e g
p r o d u c e r s t h e t r a n s p l a n t e d t i s s u e i s p r o t e c t e d
f r o m t h e c o n s e q u e n c e s o f i n a m m a t i o n j u s t l i k e a n y o t h e r r e c i p i e n t t i s s u e .
C o n v e r s e l y , o n e c o u l d s a y t h a t a n o n - t r a n s p l a n t e d t i s s u e t h a t f o l l o w i n g i n -
a m m a t i o n i s t h e o b j e c t o f a u t o i m m u n e a t t a c k f o r l a c k o f T
r e g
p r o t e c t i o n i s
s e e n b y t h e I S j u s t l i k e a t r a n s p l a n t e d t i s s u e . N o t e a l s o t h a t t h e i n f u s i o n o f
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
http://slidepdf.com/reader/full/mattiussi2013-rethinking-theoretical-biology 29/41
R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 2 9
d o n o r T
r e g
c o n c o m i t a n t w i t h t r a n s p l a n t a t i o n w o u l d p r o m o t e t r a n s p l a n t a t i o n
t o l e r a n c e b u t w o u l d n o t e n s u r e t h e m u c h m o r e s i g n i c a n t o p e r a t i o n a l t o l e r a n c e
( i . e . , t h e l o n g - t e r m a l l o g r a f t s u r v i v a l i n t h e a b s e n c e o f c o n t i n u o u s d r u g - b a s e d
i m m u n o s u p p r e s s i o n [ W o o d , K . J . a n d B u s h e l l , A . a n d H e s t e r , J . , 2 0 1 2 , p . 4 1 7 ] )
b e c a u s e t h e t r a n s p l a n t e d t i s s u e , o w i n g t o i t s d o n o r - s p e c i c T R A , w o u l d s t i l l
b e s u b j e c t t o
T R A
T
r e g
d e p l e t i o n , w i t h t h e c o n s e q u e n t i m m u n e a t t a c k f o l l o w i n g
l o n g - t e r m i n a m m a t i o n .
5 D i s c u s s i o n
5 . 1 Q u a l i t y
C o n s i d e r i n g t h e c o m p l e x i t y o f t h e c a n c e r p h e n o m e n o n , t h e D M R m i g h t a p -
p e a r n a i v e l y s i m p l e a s a c a n d i d a t e f o r u n d e r s t a n d i n g a n d c u r i n g c a n c e r . F o r
e x a m p l e , t h e D M R d o e s n o t e v e n m e n t i o n t h e p l e t h o r a o f c y t o k i n e s a n d i m -
m u n o s u p p r e s s i v e a g e n t s t h a t a r e k n o w n t o p r e v a i l i n t h e t u m o r e n v i r o n m e n t
[ B a r o n z i o , G . a n d F r e i t a s , I . , 2 0 0 8 ] . T h e p o i n t i s t h a t s i m p l i c a t i o n i s a t t h e
h e a r t o f m o d e l i n g a n d t h a t i d e n t i f y i n g t h e e l e m e n t s t h a t c a n b e o m i t t e d f r o m
a m o d e l i s a s i m p o r t a n t a s i d e n t i f y i n g t h o s e t h a t m u s t b e i n c l u d e d [ B r e d e w e g ,
B . a n d S t r u s s , P . , 2 0 0 4 ] . L i k e t h e c o m p o n e n t s o f t h e b r a k i n g c i r c u i t m i s s i n g i n
t h e s i m p l i e d c i r c u i t o f F i g u r e 3 , t h e i m m u n e c o m p o n e n t s n o t m e n t i o n e d i n
t h e D M R a r e n o t c o n s i d e r e d i r r e l e v a n t b u t , o n t h e c o n t r a r y , t h e y a r e a s s u m e d
t o c o r r e c t l y r e a l i z e t h e f u n c t i o n t h e y a r e d e s i g n e d b y e v o l u t i o n t o p e r f o r m .
I t i s o n l y w h e n t h e p r e d i c t i o n s b a s e d o n a m o d e l g o u n f u l l l e d t h a t w e n e e d
t o c o n s i d e r i t s m o d i c a t i o n . A n d i t i s o n l y w h e n p r e d i c t i o n s a r e d e n i t e t h a t
t h e y c a n g o u n f u l l l e d . T y p i c a l l y , w h e n a m o d e l p r o d u c e s a s i g n i c a n t n u m b e r
o f c o r r e c t p r e d i c t i o n s i t i s m o d i e d i n c r e m e n t a l l y r a t h e r t h a n d i s c a r d e d a n d
r e b u i l t f r o m s c r a t c h . M o r e o v e r , t h e u n f u l l l e d p r e d i c t i o n s o f t e n p o i n t t h e w a y
t o t h e m o d e l i m p r o v e m e n t a n d t o t h e e x p e r i m e n t s t h a t m u s t b e p e r f o r m e d t o
e s t a b l i s h h o w i t m u s t b e c h a n g e d . F o r t h e s e r e a s o n s , L a z e b n i k ' s q u o t e [ L a z e b -
n i k , Y . , 2 0 0 2 , p . 1 7 9 ] a c c o r d i n g t o w h i c h i n b i o l o g y [ a ] e l d r e a c h e s a s t a g e
a t w h i c h m o d e l s , t h a t s e e m e d s o c o m p l e t e , f a l l a p a r t , p r e d i c t i o n s t h a t w e r e
c o n s i d e r e d s o o b v i o u s a r e f o u n d t o b e w r o n g a p p e a r s p u z z l i n g t o a n e n g i n e e r .
P a r a p h r a s i n g G a l l [ G a l l , J . , 1 9 8 6 , p . 6 5 ] , a n e n g i n e e r t y p i c a l l y e x p e c t s t h a t a n
a d e q u a t e c o m p l e x m o d e l b e i n v a r i a b l y f o u n d t o h a v e e v o l v e d f r o m a n a d e q u a t e
s i m p l e m o d e l a n d , t h u s , t h a t i t c a n n o t s u d d e n l y c r u m b l e i n t o d u s t .
N o t e t h a t i n p u r s u i n g a s o l u t i o n t o t h e c a n c e r p r o b l e m w e f o u n d a t
t h e c e l l u l a r l e v e l a t r o u b l e s h o o t i n g s t r a t e g y t h a t l o o k e d t e c h n i c a l l y f e a s i b l e .
S o , i n o u r q u e s t w e w e r e n o t f o r c e d t o d e s c e n d t o t h e n e x t l o w e r l e v e l o f
o r g a n i z a t i o n . H o w e v e r , i t m i g h t w e l l b e t h a t a n e v e n b e t t e r s t r a t e g y e x i s t s
a t a l o w e r l e v e l o f o r g a n i z a t i o n , f o r e x a m p l e a t t h e i n t r a c e l l u l a r l e v e l o f g e n e
e x p r e s s i o n a n d s i g n a l t r a n s d u c t i o n w h e r e m o s t c a n c e r r e s e a r c h i s c u r r e n t l y
f o c u s e d . M o r e g e n e r a l l y , t h e p r o b l e m - o r i e n t e d e n g i n e e r i n g p e r s p e c t i v e o n t h e
u n d e r s t a n d i n g o f s y s t e m f u n c t i o n i s n o t i n c o m p a t i b l e w i t h t h e q u e s t f o r a
l e v e l o f u n d e r s t a n d i n g t h a t g o e s b e y o n d t h e c u r r e n t t e c h n i c a l l i m i t s o f s y s t e m
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3 0 C l a u d i o M a t t i u s s i
m a n i p u l a b i l i t y a n d r e p a i r a b i l i t y . I n p a r t i c u l a r , t h e a d o p t i o n o f t h e e n g i n e e r i n g
p e r s p e c t i v e d o e s n o t n e c e s s a r i l y i m p l y t h e a d o p t i o n o f t h e i f a i n ' t b r o k e d o n ' t
x i t a t t i t u d e , w h i c h i s o b v i o u s l y i n c o m p a t i b l e w i t h f u n d a m e n t a l s c i e n t i c
t h i n k i n g i n b i o l o g y j u s t l i k e i n a n y o t h e r d o m a i n o f s c i e n c e .
I n a d d i t i o n t o i t s r o l e s i n g r o u n d i n g s y s t e m u n d e r s t a n d i n g a n d g r o u p i n g
u n d e r o n e h e a d i n g s e e m i n g l y u n r e l a t e d p h e n o m e n a , t h e m e c h a n i s t i c n a t u r e
o f t h e m o d e l p e r m i t s t o m a k e s p e c i c p r e d i c t i o n s a b o u t t h e s y s t e m b e h a v -
i o r . T h e s e p r e d i c t i o n s i n c l u d e t h e a n s w e r t o t h e c r u c i a l e x p e r i m e n t a l q u e s t i o n
w h a t d i d y o u e x p e c t ? [ C o l l i n g w o o d , R . G . , 1 9 7 8 , p . 1 4 0 ] . M o r e o v e r , i t m a k e s
p o s s i b l e t h e g e n e r a t i o n o f w h a t i f , c o u n t e r f a c t u a l p r e d i c t i o n s , w h i c h a r e e s -
s e n t i a l f o r t h e i n t e r v e n t i o n s o n t h e s y s t e m a i m e d a t c h a n g i n g i t s b e h a v i o r . O n
t h e c o n t r a r y , t h e c o r r e l a t i v e ( o r c o v a r i a t i o n a l ) a p p r o a c h u s e d i n b i o l o g y a n d
e x p r e s s e d i n t h e k i n d o f a r r o w d i a g r a m s s t i g m a t i z e d b y L a z e b n i k i s u n a b l e t o
p r o d u c e s a t i s f y i n g p r e d i c t i o n s . I n L a z e b n i k ' s o w n w o r d s [ L a z e b n i k , Y . , 2 0 0 2 ,
p . 1 8 1 ] : E v e n i f a [ n a r r o w ] d i a g r a m m a k e s o v e r a l l s e n s e . . . i t i s u s u a l l y u s e l e s s
f o r a q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s , w h i c h l i m i t s i t s p r e d i c t i v e o r i n v e s t i g a t i v e v a l u e t o
a v e r y n a r r o w r a n g e . T h e l a n g u a g e u s e d b y b i o l o g i s t s f o r v e r b a l c o m m u n i c a -
t i o n s i s n o t b e t t e r a n d i s n o t u n l i k e t h a t u s e d b y s t o c k m a r k e t a n a l y s t s . B o t h
a r e v a g u e . . . a n d a v o i d c l e a r p r e d i c t i o n s .
T h e p r o b l e m o f t h e c o r r e l a t i v e a p p r o a c h s t e m s f r o m t h e u s e o f a v e r a g e s a n d
t h e e n s u i n g p o s s i b i l i t y o f r e a s o n i n g i n t e r m s o f a n a v e r a g e b e h a v i o r w h i c h
m a y n o t c o r r e s p o n d t o a n y a c t u a l i n d i v i d u a l b e h a v i o r . A s P a u l T h a g a r d p u t
i t [ T h a g a r d , P . , 2 0 0 0 , p . 1 4 5 ] E x p l a n a t i o n i s n o t s t a t i s t i c a l . F o r e x a m p l e ,
c o n s i d e r t h e c a s e o f T
r e g
i n t h e D M R . S h o u l d w e c o n s i d e r t h e m t o l e r o g e n i c o r
i m m u n o g e n i c ? A t r s t s i g h t t h e i r f u n c t i o n i s e x c l u s i v e l y t o l e r o g e n i c . H o w e v e r ,
T
r e g
a l s o f o c u s a n d t h u s e n h a n c e t h e i m m u n e r e s p o n s e a g a i n s t t h e d a n g e r -
o u s e l e m e n t s b y s t r i p p i n g t h e a c t i v e A P C o f t h e i r n o n d a n g e r o u s p M H C . I n
t h i s s e n s e t h e y a r e i m m u n o g e n i c . T h u s , i n g e n e r a l , T
r e g
a r e b o t h t o l e r o g e n i c
a n d i m m u n o g e n i c a n d n o a v e r a g e b e h a v i o r c a p t u r e s t h i s d u a l i t y . A s i m i l a r
o b s e r v a t i o n c a n b e m a d e a b o u t t h e m a n i p u l a t i o n o f c h e m o k i n e s i g n a l i n g . L e t
u s a s s u m e t h a t , i n t h e c o n t e x t o f t h e D M R , t h e i n i t i a l m e e t i n g o f a c t i v a t e d
A P C w i t h T
r e g
i s d u e t o a h y p o t h e t i c a l c h e m o k i n e ` X ' e m i t t e d b y o n e o f t h e
p a r t i e s a n d c h e m o t a c t i c a l l y s e n s e d b y t h e o t h e r . A d e p l e t i o n o f X o r a n i n t e r -
f e r e n c e w i t h t h e p r o d u c t i o n o r s e n s i n g o f X w o u l d p r e v e n t t h e a c t i o n o f t h e
T
r e g
. H o w e v e r , l o c a l l y o o d i n g t h e h o s t w i t h X w o u l d a l s o d i s r u p t c h e m o t a x i s
a n d w o u l d p r o d u c e a n e e c t v e r y s i m i l a r t o t h a t o f t h e d e p l e t i o n . T h e s e a r e
o n l y t w o e x a m p l e s o f h o w o b s e r v a t i o n s m a d e o n a b i o l o g i c a l s y s t e m a p p e a r
p u z z l i n g o r c o n t r a d i c t o r y i n t h e a b s e n c e o f a n u n d e r l y i n g m e c h a n i s t i c m o d e l .
M o s t i m p o r t a n t l y , t h e s a m e h o l d s f o r o b s e r v a t i o n s o b t a i n e d f r o m a n i m a l m o d -
e l s o f d i s e a s e s . I f o n e d o e s n o t e n s u r e t h a t t h e h u m a n d i s e a s e a n d i t s p u t a t i v e
a n i m a l m o d e l a d m i t a s t r u c t u r a l l y s i m i l a r m e c h a n i s t i c m o d e l , t h e r e i s t h e r e a l
r i s k t h a t t h e r e s u l t s o f o b s e r v a t i o n s a n d m a n i p u l a t i o n s p e r f o r m e d o n t h e a n i -
m a l m o d e l n o t o n l y d o n o t t r a n s f e r t o h u m a n s b u t b e p o s i t i v e l y m i s l e a d i n g i n
t h e i r r o l e o f m o d e l s .
F i n a l l y , l e t m e e m p h a s i z e t h e f a c t t h a t b i o l o g i c a l m o d e l s , l i k e a n y o t h e r
m o d e l , h a v e a n e p i s t e m i c r a t h e r t h a n o n t i c s t a t u s . T h i s o b s e r v a t i o n a n s w e r s
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 3 1
t h e o b j e c t i o n t o L a z e b n i k s u g g e s t i o n s p u t f o r w a r d b y M a d a r a n d c o w o r k e r s .
I n t h e i r o w n w o r d s [ M a d a r , S . a n d G o l d s t e i n , I . a n d R o t t e r , V . , 2 0 0 9 , p . 6 3 7 9 ]
S h o u l d w e a d o p t t h e f o r m a l d e s c r i p t i o n a p p r o a c h [ a d v o c a t e d b y L a z e b n i k ] ?
I n o u r o p i n i o n t h e a n s w e r i s n o . W e s h o u l d a l w a y s t a k e i n t o a c c o u n t t h a t t h e
d e n i t i o n o f e a c h c o m p o n e n t i n a s y s t e m m i g h t b e t e m p o r a l a n d p a r t i a l a n d
t h a t q u e s t i o n i n g i t , d e s p i t e t h e c o n f u s i o n i t m i g h t c a u s e , i s o u r s c i e n t i c o b l i -
g a t i o n . F r o m t h e e p i s t e m i c p o i n t o f v i e w a d v o c a t e d i n t h i s p a p e r i t i s o b v i o u s
t h a t t h e d e n i t i o n o f e a c h c o m p o n e n t i n a s y s t e m [ i s ] t e m p o r a l a n d p a r t i a l .
M a d a r a n d c o w o r k e r ' s o b j e c t i o n i s v a l i d o n l y i f o n e h o l d s t h e a s s u m p t i o n t h a t
m o d e l e r s s h o u l d s t r i v e f o r u n i q u e , t r u e m o d e l s a n d t h a t a n y r e l i a n c e o n
t e m p o r a r y a n d p a r t i a l m o d e l s m u s t b e c o n d e m n e d . B u t t r u e m o d e l i s a n
o x y m o r o n : b y d e n i t i o n , m o d e l s c a n n o t b e t r u e ; a t m o s t , t h e y a r e a d e q u a t e
f o r t h e s o l u t i o n o f t h e p r o b l e m t h a t p r o m p t e d t h e i r c r e a t i o n ( w h e r e t h e d e s i r e
t o a t t a i n a g i v e n l e v e l o f u n d e r s t a n d i n g o r t o p r o d u c e a m o d e l w i t h a g i v e n
p r e d i c t i v e p o w e r c a n b e a l s o c o n s t r u e d a s e x a m p l e s o f a s u c h a p r o b l e m ) .
1 1
5 . 2 Q u a n t i t y
I h a v e s h o w n a b o v e t h a t i n t h e d e s i g n a n d t r o u b l e s h o o t i n g o f e l e c t r o n i c c i r c u i t s
t h e r e c o m e s a p o i n t w h e r e s o m e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s i s r e q u i r e d . T h e s a m e i s
t r u e w h e n t h e s e a c t i v i t i e s a r e p e r f o r m e d o n b i o l o g i c a l s y s t e m s . F o r e x a m p l e ,
a s s u m i n g t h a t t h e D M R i s a d e q u a t e f o r d e s c r i b i n g t u m o r d e v e l o p m e n t a n d
t h e r a p y , o n e w o u l d p r o b a b l y l i k e t o e s t i m a t e t h e t i m e i n t e r v a l b e t w e e n t h e
e s t a b l i s h m e n t o f i n a m m a t i o n a t t h e S M M l o c a t i o n s a n d t h e d e p l e t i o n o f t h e
T S A
T
r e g
s t o c k t h a t s t a r t s t h e p r o c e s s o f i m m u n e t u m o r c l e a r a n c e .
I n t h e e l e c t r o n i c c i r c u i t c a s e , t h e r s t s t e p i n t h e t r a n s i t i o n t o q u a n t i t a t i v e
a n a l y s i s i s t h e s p e c i c a t i o n o f t h e n u m e r i c a l v a l u e s o f t h e p a r a m e t e r s t h a t
c h a r a c t e r i z e t h e c o m p o n e n t m o d e l s ( e . g . , r e s i s t a n c e o f r e s i s t o r s , g a i n o f t r a n -
s i s t o r s , e t c . ) . T h e r e i s h o w e v e r a c a v e a t i n a p p l y i n g t h i s s t r a t e g y t o b i o l o g i c a l
m o d e l s . T a k e f o r e x a m p l e t h e c a s e o f t h e s o p h i s t i c a t e d c o m p u t e r m o d e l o f t h e
T 7 b a c t e r i o p h a g e v i r u s b u i l t b y D r e w E n d y a n d J o h n Y i n . E n d y a n d Y i n ' s
m o d e l s i m u l a t e d m a t h e m a t i c a l l y h o w a l l 5 6 o f t h e v i r u s ' s g e n e s w e r e t r a n s -
l a t e d i n t o 5 9 p r o t e i n s , h o w t h o s e p r o t e i n s s u b v e r t e d t h e h o s t c e l l a n d e v e n
h o w t h e v i r u s e s w o u l d e v o l v e r e s i s t a n c e t o v a r i o u s R N A - b a s e d d r u g s . T h a t
s e e m s i m p r e s s i v e . B u t p e e k i n s i d e t h e e q u a t i o n s , E n d y s a y s , a n d y o u ' l l n d
t h a t d e s p i t e i n c l u d i n g m e a s u r e m e n t s f r o m 1 5 y e a r s o f l a b o r i o u s e x p e r i m e n t s ,
` t h e r e a r e s t i l l a t r e m e n d o u s n u m b e r o f d e g r e e s o f f r e e d o m . ' T h e e q u a t i o n s
c a n b e t w e a k e d t o p r o d u c e a l m o s t a n y b e h a v i o r . ` A u s e f u l m o d e l m u s t s u g g e s t
a h y p o t h e s i s t h a t f o r c e s t h e m o d e l b u i l d e r t o d o a n e x p e r i m e n t , ' E n d y s a y s .
T h i s o n e d i d n ' t . [ G i b b s , W . W . , 2 0 0 1 , p . 5 4 , m y e m p h a s i s ]
T h i s p r o b l e m , h o w e v e r , i s n o t s p e c i c o f q u a n t i t a t i v e b i o l o g y . I n t h e c a s e
o f p h y s i c s i t i s i l l u s t r a t e d b y a n a n e c d o t e c o n c e r n i n g p h y s i c i s t s E n r i c o F e r m i
a n d F r e e m a n D y s o n [ D y s o n , F . , 2 0 0 4 ] . I n 1 9 5 3 , a f t e r s e v e r a l y e a r s o f t o i l ,
1 1
O f c o u r s e , a n d m o s t i m p o r t a n t l y , t h e c h o i c e o f t h e p r o b l e m m u s t r e m a i n a p r i m a r y
e t h i c a l c o n c e r n o f t h e s c i e n t i s t .
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3 2 C l a u d i o M a t t i u s s i
D y s o n a n d h i s c o l l a b o r a t o r s h a d j u s t o b t a i n e d t h e r e s u l t s o f a c o m p l e x s e -
r i e s o f c a l c u l a t i o n s c o n c e r n i n g t h e i n t e r a c t i o n s o f s o m e e l e m e n t a r y p a r t i c l e s .
T h e c o m p u t a t i o n a l r e s u l t s w e r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s o f F e r m i
m e a s u r e m e n t s . S o D y s o n n a r r a t e s I m a d e a n a p p o i n t m e n t t o m e e t w i t h
F e r m i a n d s h o w h i m o u r r e s u l t s . P r o u d l y , I r o d e t h e G r e y h o u n d b u s f r o m
I t h a c a t o C h i c a g o w i t h a p a c k a g e o f o u r t h e o r e t i c a l g r a p h s t o s h o w t o F e r m i
. . . b u t h e h a r d l y g l a n c e d a t t h e m . . . . T h e n h e d e l i v e r e d h i s v e r d i c t i n a q u i e t ,
e v e n v o i c e . ` T h e r e a r e t w o w a y s o f d o i n g c a l c u l a t i o n s i n t h e o r e t i c a l p h y s i c s ' ,
h e s a i d . ` O n e w a y , a n d t h i s i s t h e w a y I p r e f e r , i s t o h a v e a c l e a r p h y s i c a l
p i c t u r e o f t h e p r o c e s s t h a t y o u a r e c a l c u l a t i n g . T h e o t h e r w a y i s t o h a v e a
p r e c i s e a n d s e l f c o n s i s t e n t m a t h e m a t i c a l f o r m a l i s m . Y o u h a v e n e i t h e r . ' . . . I n
d e s p e r a t i o n I a s k e d F e r m i w h e t h e r h e w a s n o t i m p r e s s e d b y t h e a g r e e m e n t
b e t w e e n o u r c a l c u l a t e d n u m b e r s a n d h i s m e a s u r e d n u m b e r s . H e r e p l i e d , ` H o w
m a n y a r b i t r a r y p a r a m e t e r s d i d y o u u s e f o r y o u r c a l c u l a t i o n s ? ' I t h o u g h t f o r a
m o m e n t a b o u t o u r c u t - o p r o c e d u r e s a n d s a i d , ` F o u r . ' H e s a i d , ` I r e m e m b e r
m y f r i e n d J o h n n y v o n N e u m a n n u s e d t o s a y , w i t h f o u r p a r a m e t e r s I c a n t
a n e l e p h a n t , a n d w i t h v e I c a n m a k e h i m w i g g l e h i s t r u n k . ' W i t h t h a t , t h e
c o n v e r s a t i o n w a s o v e r . [ D y s o n , F . , 2 0 0 4 , p . 2 9 7 , m y e m p h a s i s ]
F e r m i , o n e o f t h e p i o n e e r s o f c o m p u t a t i o n a l p h y s i c s , d i d n o t c o n d e m n
c o m p u t a t i o n a l m o d e l s a s s u c h . H e j u s t r e m i n d e d D y s o n t h a t , a s B r e d w e g a n d
S t r u s s a d m i r a b l y s y n t h e s i z e [ B r e d e w e g , B . a n d S t r u s s , P . , 2 0 0 4 , p . 1 4 ] t h e e x -
i s t e n c e o r c r e a t i o n o f a c o n c e p t u a l a n d q u a l i t a t i v e m o d e l o f a s i t u a t i o n f o r a
c e r t a i n t a s k t o b e s o l v e d i s a p r e r e q u i s i t e f o r a s c i e n t i c q u a n t i t a t i v e m o d e l , n o t
i t s r e s u l t , a s s o m e t i m e s s u g g e s t e d . T h i s i s t r u e f o r p h y s i c s , f o r e n g i n e e r i n g ,
a n d f o r b i o l o g y a n d m e d i c i n e . I n t h e w o r d s o f C l a u d e B e r n a r d , i n b i o l o g y ,
m e d i c i n e , a s i n a l l e x p e r i m e n t a l s c i e n c e s [ B e r n a r d , C . , 1 8 6 5 , p . 2 2 7 ] l ' é t u d e
q u a l i t a t i v e d e s p h é n o m è n e s [ d o i t ] n é c e s s a i r e m e n t p r é c é d e r l e u r é t u d e q u a n t i -
t a t i v e .
1 2
I n t h e a b s e n c e o f t h e s e p r e v i o u s , f o u n d i n g q u a l i t a t i v e m o d e l s , t h e
p a r a m e t e r s o f t h e q u a n t i t a t i v e m o d e l s c o r r e s p o n d t o t h e a r b i t r a r y p a r a m e t e r s
d e p r e c a t e d b y F e r m i a n d v o n N e u m a n n .
N o t e t h a t t h e s t r u c t u r e d s c h e m a t i c o f F i g u r e 2 c o n t a i n s m o r e t h a n 3 0
c o m p o n e n t s a n d t h u s i t s q u a n t i t a t i v e s p e c i c a t i o n r e q u i r e s a t l e a s t t h e s a m e
n u m b e r o f p a r a m e t e r s . Y e t , i t c a n b e u s e d t o p r o d u c e r e l i a b l e c o m p u t a t i o n a l
p r e d i c t i o n s w i t h o u t i n c u r r i n g i n v o n N e u m a n n ' s t t i n g - t h e - e l e p h a n t e e c t .
T h e r e a s o n l i e s i n t h e f a c t t h a t t h e p a r a m e t e r s r e f e r t o q u a n t i t i e s t h a t a r e
d e n e d a t t h e r i g h t l e v e l o f o r g a n i z a t i o n a n d p o s s e s a w e l l d e n e d q u a l i t a t i v e
p h y s i c a l m e a n i n g i n t h e c i r c u i t m o d e l . T h i s m a k e s t h e q u a n t i t a t i v e a n d t h e
c o m p u t a t i o n a l m o d e l s r o b u s t r e l a t i v e l y t o t h e p a r a m e t e r v a l u e s . T h e s a m e
r o b u s t n e s s c a n b e f o u n d i n b i o l o g y . I n d e e d , a s W i m s a t t r e m i n d s u s [ W i m s a t t ,
W . C . , 2 0 0 7 , p . 1 1 1 ] I f y o u n d a p r o p e r t y t h a t a p p e a r s t o b e b i o l o g i c a l l y
i m p o r t a n t , a n d i t i s n o t r o b u s t , b e s u s p i c i o u s o f y o u r m o d e l o r t h e a s s u m e d
p a r a m e t e r v a l u e s . I n c i d e n t a l l y , n o t e t h a t i n g e n e r a l t h e q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s
o f n o n l i n e a r s y s t e m s i s p r o b l e m a t i c , w h e r e a s q u a l i t a t i v e a n a l y s i s i s m u c h l e s s
c o n d i t i o n e d b y n o n l i n e a r i t y [ D e K l e e r , J . , 1 9 8 4 , p . 2 6 3 ] , a s s u g g e s t e d b y t h e f a c t
1 2
T h e q u a l i t a t i v e s t u d y o f p h e n o m e n a [ m u s t ] n e c e s s a r i l y p r e c e d e t h e i r q u a n t i t a t i v e s t u d y .
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 3 3
t h a t n o n l i n e a r i t y n e v e r s u r f a c e d a s a p r o b l e m i n a l l t h e a b o v e d i s c u s s i o n s a b o u t
q u a l i t a t i v e m o d e l s o f c i r c u i t s a n d b i o l o g i c a l s y s t e m s t h a t c e r t a i n l y c o n t a i n
s o m e n o n l i n e a r i t y .
F i n a l l y , l e t m e a d d a n o t e a b o u t t h e q u e s t i o n o f q u a n t i t a t i v e d a t a i n b i o l -
o g y . T h e p u r p o r t e d r e c e n t a b u n d a n c e o f d a t a i n b i o l o g y h a s a l m o s t b e c o m e
a t r u i s m . S t i l l , a s S o r g e r r e m i n d s u s [ S o r g e r , P . K , 2 0 0 5 , p . 1 0 ] f a r f r o m b e i n g
d a t a - r i c h a s o f t e n c l a i m e d , b i o l o g y i s e x t r e m e l y d a t a - p o o r p a r t i c u l a r l y i n
t e r m s o f q u a n t i t a t i v e , t i m e - d e p e n d e n t a n d s p a t i a l l y r e s o l v e d m e a s u r e m e n t s .
C o n v e r s e l y , a n e n g i n e e r u s i n g a s i m p l e o s c i l l o s c o p e t o p e r f o r m m e a s u r e m e n t s
o n a c i r c u i t c a n e a s i l y c a p t u r e t h o u s a n d s o f h i g h - r e s o l u t i o n t i m e - d e p e n d e n t
d a t a p o i n t s i n a s i n g l e s w e e p o f t h e o s c i l l o s c o p e . T h e s c a r c i t y o f q u a n t i t a t i v e
h i g h - r e s o l u t i o n t i m e - d e p e n d e n t m e a s u r e m e n t d a t a i n b i o l o g y c a n r e s u l t i n t h e
o b s e r v a t i o n t h a t e v e n s o u n d l y b a s e d q u a n t i t a t i v e b i o l o g i c a l m o d e l s m a y h a p -
p e n t o b e i n s u c i e n t l y c o n s t r a i n e d f o r t h e e s t i m a t i o n o f p a r a m e t e r s f r o m d a t a .
E v e n i n t h i s c a s e , t h e a v a i l a b i l i t y o f a q u a l i t a t i v e m e c h a n i s t i c m o d e l c a n m a k e
a d i e r e n c e b e c a u s e d a t a c a n b e c o l l e c t e d w i t h a t h e o r e t i c a l q u e s t i o n i n m i n d
a n d b e r e l e v a n t t o t h a t q u e s t i o n . O n t h e c o n t r a r y , d a t a c o l l e c t e d f r e e o f a n y
t h e o r e t i c a l b u r d e n [ K r o h s , U . a n d C a l l e b a u t , W . , 2 0 0 7 , p . 1 8 4 ] a r e t y p i c a l l y
f o u n d t o h a v e r e d u c e d r e l e v a n c e a n d e x p l a n a t o r y v a l u e .
5 . 3 S t r u c t u r e
S o f a r I h a v e t a k e n f o r g r a n t e d t h e e x i s t e n c e o f a n a d e q u a t e q u a l i t a t i v e m e c h -
a n i s t i c m o d e l f o r t h e s y s t e m a n d p r o b l e m o f i n t e r e s t . I t i s n o w t i m e t o a s k i f
t h i s a s s u m p t i o n h o l d s i n g e n e r a l , t h a t i s i f e v e r y b i o l o g i c a l a n d t e c h n o l o g i c a l
s y s t e m a d m i t s a q u a l i t a t i v e m o d e l . P u t i n t h e a r m a t i v e t h e q u e s t i o n s e e m s
d i c u l t t o t a c k l e . O n t h e o t h e r h a n d , a s i n g l e c o u n t e r e x a m p l e w o u l d b e s u f -
c i e n t t o p r o v e t h a t t h e a n s w e r i s n e g a t i v e . I t a k e t h e c o u n t e r e x a m p l e f r o m
t h e d e s c r i p t i o n g i v e n b y B a r r i e G i l b e r t a d i s t i n g u i s h e d d e s i g n e r o f a n a l o g
e l e c t r o n i c c i r c u i t s o f h i s y o u t h f u l a t t e m p t s t o u n d e r s t a n d a c i r c u i t .
F o r a f e w y e a r s a f t e r W o r l d W a r I I i t w a s p o s s i b l e t o b u y a t a v e r y l o w
p r i c e p i e c e s o f ` e x - g o v e r n m e n t ' e q u i p m e n t r e a l s e r i o u s e l e c t r o n i c s y s t e m s .
[ G i l b e r t , B . , 1 9 9 1 , p . 1 7 8 ] G i l b e r t w a s v e r y e a g e r t o p r o b e t h e s e c r e t s o f e a c h
a p p a r a t u s h e b o u g h t . A s h e r e c o u n t s [ G i l b e r t , B . , 1 9 9 1 , p . 1 7 8 , m y e m p h a s i s ]
M o s t e n i g m a t i c w a s a n I F F ( I d e n t i c a t i o n F r i e n d o r F o e ) r e c e i v e r : t w o b a c k -
t o - b a c k s t e e l c h a s s i s . . . B e t w e e n t h e s e w a s a s p a c e i n t o w h i c h a d e t o n a t o r
t t e d ; c l e a r l y , t h e s e c r e t o f t h e I F F c i r c u i t r y w a s s o m e t h i n g t o p r o t e c t a t a l l
c o s t s , a n d t h a t m a d e i t a l l t h e m o r e i n t e r e s t i n g t o t r a c e i t o u t . A l a s , t r y a s I
m i g h t , i t m a d e n o s e n s e a t a l l . E v e r y t h i n g s e e m e d t o b e c o n n e c t e d t o e v e r y t h i n g
e l s e , f o r m i n g a n i m p e n e t r a b l e e l e c t r o n i c l a b y r i n t h . T o t h i s d a y , I w o n d e r h o w
t h a t s t i r r i n g e l e c t r o n i c m i n d m a d e i t s c r u c i a l d e c i s i o n b e t w e e n f r i e n d a n d f o e .
T h e r s t c l u e c o m i n g f r o m t h i s e x a m p l e i s t h e e x i s t e n c e o f s y s t e m s t h a t
p r e s u m a b l y d o n o t a d m i t a s a t i s f y i n g q u a l i t a t i v e e x p l a n a t i o n o f t h e i r f u n c t i o n -
i n g . T h e s e c o n d c l u e i s t h e f a c t t h a t s y s t e m s w h e r e e v e r y t h i n g i s c o n n e c t e d
t o e v e r y t h i n g h a v e a g o o d p r o b a b i l i t y o f b e l o n g i n g t o t h i s c a t e g o r y o f u n -
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3 4 C l a u d i o M a t t i u s s i
d e c i p h e r a b l e s y s t e m s . O n t h e o t h e r h a n d , s e v e r a l a u t h o r s h a v e p o i n t e d o u t
t h a t b o t h t e c h n o l o g i c a l a n d b i o l o g i c a l s y s t e m s d o n o t h a v e t h i s k i n d o f s t r u c -
t u r e . O n t h e c o n t r a r y , f o r r e a s o n s o f b i o l o g i c a l e v o l v a b i l i t y a n d t e c h n i c a l d e s -
i g n a b i l i t y , b i o l o g i c a l a n d t e c h n o l o g i c a l s y s t e m s t y p i c a l l y h a v e a h i e r a r c h i c a l
a n d m o d u l a r s t r u c t u r e [ S i m o n , H . A . , 1 9 9 6 ] .
O b v i o u s l y , t h i s o b s e r v a t i o n d o e s n o t c o n s t i t u t e a p r o o f t h a t a l l p r o p e r l y
s t r u c t u r e d b i o l o g i c a l a n d t e c h n o l o g i c a l s y s t e m s a n d s u b s y s t e m s c a n b e g i v e n
a n a d e q u a t e q u a l i t a t i v e m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n a n d m o d e l . H o w e v e r , r e c a l l -
i n g t h e d e n i t i o n g i v e n a b o v e o f a m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n a s a d e s c r i p t i o n
o f h o w t h e c o m p o n e n t s t h a t c o m p o s e t h e s y s t e m a r e o r g a n i z e d t o p r o d u c e t h e
o v e r a l l f u n c t i o n a l i t y , t h e e x i s t e n c e o f a h i e r a r c h i c a l o r g a n i z a t i o n o f m o d u l e s
s u g g e s t s t h a t b i o l o g i c a l a n d t e c h n o l o g i c a l s y s t e m s a r e t y p i c a l l y e l i g i b l e f o r a n
a n a l y s i s i n t e r m s o f i n t e r a c t i n g c o m p o n e n t s . I n d e e d , t h e b i o l o g i c a l s y s t e m
t h a t s e r v e d a s e x a m p l e i n t h i s p a p e r t h e i m m u n e s y s t e m h a s p r o v e d t o b e
p a r t i c u l a r l y a m e n a b l e t o m e c h a n i s t i c e x p l a n a t i o n a n d m o d e l i n g .
5 . 4 L a n g u a g e
A l l t h e b i o l o g i c a l m o d e l s d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r w e r e d e s c r i b e d o n l y v e r b a l l y .
T h e s e m o d e l s , b e i n g s i m p l e a n d q u a l i t a t i v e c a n b e k e p t i n m i n d , e x p l a i n e d , a n d
m e n t a l l y m a n i p u l a t e d w i t h o u t t h e a s s i s t a n c e o f c o g n i t i v e a r t i f a c t s . H o w e v e r ,
t h e r e c e r t a i n l y c o m e s a p o i n t w h e n t h e c o m p l e x i t y o f t h e s y s t e m o f i n t e r e s t
r e q u i r e s s o m e k i n d o f f o r m a l l a n g u a g e t o c o n v e y u n e q u i v o c a l l y t h e m o d e l a n d
m e n t a l l y m a n i p u l a t e i t . P r e s u m a b l y , d i e r e n t s y s t e m a n d d i e r e n t l e v e l s o f
o r g a n i z a t i o n o f t h e s a m e s y s t e m r e q u i r e d i s t i n c t f o r m a l l a n g u a g e s . T h e r e f o r e ,
i t i s d i c u l t t o o e r d e t a i l e d g u i d e l i n e s f o r f o r m a l l a n g u a g e d e n i t i o n t h a t h o l d
i n g e n e r a l . N o n e t h e l e s s , I w i l l t r y t o l i s t a f e w h i g h - l e v e l p r i n c i p l e s d e r i v e d
f r o m t h e e x a m p l e s o f m o d e l i n g p r e s e n t e d a b o v e .
F i r s t o f a l l , a f o r m a l l a n g u a g e f o r s y s t e m m o d e l i n g m u s t s u p p o r t q u a l i t a t i v e
a n d m e c h a n i s t i c r e a s o n i n g . S e c o n d , i t m u s t b e a b l e t o b e h a v e a s a c o g n i t i v e
a r t i f a c t w h e n o p e r a t e d b y a n i n d i v i d u a l s u i t a b l y t r a i n e d i n t h e u s e o f t h e
l a n g u a g e , e s p e c i a l l y w h e n t h e s y s t e m u n d e r c o n s i d e r a t i o n i s c o m p l e x . T h i r d ,
i t m u s t s u p p o r t r o b u s t q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s ( e . g . , r o b u s t p a r a m e t r i z a t i o n ) .
F o u r t h , i t m u s t g i v e a n u n e q u i v o c a l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e m o d e l w h e n u s e d i n
t h e q u a n t i t a t i v e m o d e . F i f t h , i t m u s t f o r c e t h e m o d e l e r t o m a k e e x p l i c i t h i s
o r h e r a s s u m p t i o n s , t h a t i s , t o s p e c i f y t h e m o d e l b e h a v i o r f o r e a c h c o m p o n e n t
o f t h e m o d e l , a n d f o r t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e c o m p o n e n t s c o n t e m p l a t e d
b y t h e m o d e l .
T h e f a c t t h a t t h e u s e r a n d t h e m o d e l e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e f o r m a l
l a n g u a g e b e c o m e a n e x t e n d e d c o g n i t i v e s y s t e m o n l y w h e n t h e u s e r h a s b e e n
p r o p e r l y t r a i n e d i n t h e u s e o f t h e l a n g u a g e c r e a t e s a b o o t s t r a p p r o b l e m i n t h e
i n v e n t i o n o f n e w f o r m a l l a n g u a g e s . W h e n a l a n g u a g e h a s j u s t b e e n c r e a t e d ,
n o t e v e n i t s i n v e n t o r s c a n b e n e t f r o m i t , e v e n i f t h e l a n g u a g e i s g o o d i n
t h e s e n s e t h a t i t h a s t h e p o t e n t i a l t o s u p p o r t t h e p r o d u c t i o n o f c o g n i t i v e
a r t i f a c t s . T h u s , i n i t i a l l y , g o o d l a n g u a g e s a n d b a d l a n g u a g e s d o n o t a p p e a r
d i e r e n t i n t h e i r s u p p o r t t o m o d e l i n g . T h i s w i l l b e a p r o b l e m e s p e c i a l l y i n
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 3 5
b i o l o g y , w h e r e m a n y n e w l a n g u a g e s w o u l d p r e s u m a b l y b e i n v e n t e d , g i v e n t h e
p e c u l i a r i t i e s o f b i o l o g i c a l s y s t e m t h a t m a k e u n s u i t a b l e m a n y o f t h e f o r m a l
l a n g u a g e s d e v e l o p e d f o r t e c h n o l o g i c a l s y s t e m s ( o f c o u r s e , e x c e p t i o n s e x i s t ; f o r
e x a m p l e , i n [ F l o r e a n o , D . a n d M a t t i u s s i , C . , 2 0 0 8 ] g u r e 5 . 9 o n p a g e 3 6 2 s h o w s
h o w t h e l i f e c y c l e o f a T
h
c e l l c a n b e d e s c r i b e d u s i n g G r a f c e t , a f o r m a l i s m
d e v e l o p e d f o r t h e d e s c r i p t i o n o f t h e o p e r a t i o n o f i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m s
[ H r ú z , B . a n d Z h o u , M . C . , 2 0 0 7 ] ) . N o t e t h a t , o n t h e c o n t r a r y , a r e p r e s e n t a t i o n
t o o l m u c h u s e d i n b i o l o g y s u c h a s c a r t o o n s d o e s n o t r e q u i r e a s p e c i a l t r a i n i n g
t o b e u n d e r s t o o d ( a t l e a s t b y p e o p l e e x p o s e d t o a w e s t e r n m i l i e u ) b u t i t s
e x p r e s s i v e p o t e n t i a l i s v e r y l i m i t e d .
6 C o n c l u s i o n
I n a r e c e n t e d i t o r i a l [ M o o r e , A . , 2 0 1 2 ] , B i o E s s a y s e d i t o r A n d r e w M o o r e w r o t e :
I h a v e a v i s i o n o f a f u t u r e i n w h i c h [ b i o l o g i s t s ] w h o t h i n k m o r e a b o u t o t h e r s '
r e s u l t s t h a n p r o d u c i n g t h e i r o w n a r e v a l u e d j u s t a s m u c h . . . . [ O ] n e c o u l d c a l l
[ t h i s k i n d o f b i o l o g i s t ] a ` p r o f e s s i o n a l i n t e g r a t o r ' : s o m e o n e w h o g a i n s h i g h e r
l e v e l i n s i g h t s b y c r i t i c a l l y a n a l y z i n g a n d i n t e g r a t i n g t h e d i s c r e t e n d i n g s o f
o t h e r s t o c r e a t e a n e w m o d e l t h a t i s m o r e t h a n t h e s u m o f i t s p a r t s . . . . A r -
g u a b l y t h e r e a r e s o m a n y r e s u l t s a r o u n d t h a t w e n e e d m o r e d e d i c a t e d p e o p l e
w h o e x p l i c i t l y d o n ' t p r o d u c e n e w r e s u l t s , b u t r a t h e r d i s t i l l o u t h i g h e r l e v e l
i n s i g h t s . W e c o u l d c o m p l e m e n t M o o r e ' s r e c o m m e n d a t i o n t o h i s w i s h e d ` p r o -
f e s s i o n a l i n t e g r a t o r ' w i t h t h e e x h o r t a t i o n t o a l s o a i m a t c r e a t i n g m o d e l s t h a t
m a k e n e w p r e d i c t i o n s , w h i c h c a n b e v e r i e d a n d , i n d e e d , c o n n e c t w h a t w a s
p r e v i o u s l y s e e n a s n o t c o n n e c t e d .
I n p h y s i c s , t h i s k i n d o f s c i e n t i s t a l r e a d y e x i s t s a n d i s c a l l e d t h e o r e t i c a l
p h y s i c i s t , a s o p p o s e d t o e x p e r i m e n t a l p h y s i c i s t . W h a t i s n e e d e d i n b i o l -
o g y i s a n e w k i n d o f t h e o r e t i c a l b i o l o g i s t , o n e w h o d o e s n o t r u s h t o b u i l d a
q u a n t i t a t i v e , m a t h e m a t i c a l , o r c o m p u t a t i o n a l m o d e l b u t s t a r t s b y c r e a t i n g
t h e e q u i v a l e n t i n b i o l o g y o f F e r m i ' s c l e a r p h y s i c a l p i c t u r e [ D y s o n , F . , 2 0 0 4 ] .
H o w e v e r , w e m u s t n o t f o r g e t t h a t i n p h y s i c s t h e r e i s n o n o t i o n o f s y s t e m
f u n c t i o n n o r t h a t o f m a l f u n c t i o n , w h i c h a r e i n s t e a d e s s e n t i a l t o b i o l o g i c a l
t h i n k i n g [ K n i g h t , J . , 2 0 0 2 ] . T h u s , i n t h e e n d e a v o r o f r e a l i z i n g t h e e q u i v a l e n t
i n b i o l o g y o f t h e g u r e o f t h e o r e t i c a l p h y s i c i s t i t i s n e c e s s a r y t o t a k e i n t o
a c c o u n t a l s o t h e p o i n t o f v i e w o f t h e e n g i n e e r , w h o b u i l d s m o d e l s n o t o n l y
a s p i r i n g t o a c e r t a i n p r e d i c t i v e p o w e r o r i n t u i t i v e p h y s i c a l c l a r i t y , b u t a l s o
a i m i n g a t t h e u n d e r s t a n d i n g o f s y s t e m f u n c t i o n s a n d t h e t r o u b l e s h o o t i n g o f
t h e i r m a l f u n c t i o n s . T h e p o t e n t i a l o f s u c h a n e n g i n e e r i n g - i n s p i r e d , q u a l i t a t i v e ,
p r o b l e m - d r i v e n , m e c h a n i s t i c a p p r o a c h t o m o d e l b u i l d i n g f o r t h e a t t a i n m e n t
o f t h e g o a l s o f b i o l o g y a n d m e d i c i n e i s s i g n i c a n t . T h e q u a n t i t y a n d q u a l i t y
o f o r i g i n a l h y p o t h e s e s , p r e d i c t i o n s , e x p e r i m e n t a l q u e s t i o n s , a n d p r o p o s e d p r o -
p h y l a x e s a n d t h e r a p i e s e n s u i n g f r o m t h e n e w i m m u n e s y s t e m m o d e l b u i l t i n
t h i s p a p e r f o l l o w i n g t h i s a p p r o a c h , f o r e l d s a s c o m p l e x a n d c r o w d e d a s c a n -
c e r , a u t o i m m u n e d i s e a s e , a n d t r a n s p l a n t a t i o n r e s e a r c h s h o u l d b e c o n v i n c i n g
e n o u g h f o r a n y b i o l o g i s t l e a n i n g t o w a r d t h e ` d r y e r ' s i d e o f r e s e a r c h [ M o o r e ,
A . , 2 0 1 2 ] .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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3 6 C l a u d i o M a t t i u s s i
A c k n o w l e d g e m e n t s M a n y t h a n k s t o D a n i e l M a r b a c h f o r b r i n g i n g t o m y a t t e n t i o n L a z e b -
n i k ' s p a p e r , t o E n r i c a C a n t a m e s s a a n d t o M a u r i z i o a n d R a a e l e P e r s e l l o f o r t h e i r h e l p i n
r e c o n s t r u c t i n g t h e h i s t o r y o f t h e b r a k i n g c i r c u i t , a n d t o D e l i a G i a l l o n a r d o , R o b e r t a M a e s t r i ,
M a r c o P a l o m b i , M a u r i z i o P e r s e l l o , M a r k u s W a i b e l , a n d t o a n a n o n y m o u s r e v i e w e r f o r t h e i r
p r e c i o u s f e e d b a c k o n t h e m a n u s c r i p t .
R e f e r e n c e s
A b b a s , A . K . a n d L i c h t m a n , A . H . a n d P i l l a i , S . C e l l u l a r a n d M o l e c u l a r I m -
m u n o l o g y . S a u n d e r s , P h i l a d e l p h i a , P A , 7 t h e d i t i o n , 2 0 1 2 .
A l m e i d a , A . R . M . a n d A m a d o , I . F . a n d R e y n o l d s , J . a n d B e r g e s , J . a n d L y t h e ,
G . e t a l . Q u o r u m s e n s i n g i n C D 4 + T c e l l h o m e o s t a s i s : a h y p o t h e s i s a n d a
m o d e l . F r o n t i e r s i n I m m u n o l o g y , 3 : d o i : 1 0 . 3 3 8 9 / m m u . 2 0 1 2 . 0 0 1 2 5 , 2 0 1 2 .
A n d e r s o n , M . S . a n d V e n a n z i , E . S . a n d K l e i n , L . a n d C h e n , A . a n d B e r z i n s ,
S . P . e t a l . P r o j e c t i o n o f a n I m m u n o l o g i c a l S e l f S h a d o w W i t h i n t h e T h y m u s
b y t h e A i r e P r o t e i n . S c i e n c e , 2 9 8 ( 5 5 9 7 ) : 1 3 9 5 1 4 0 1 , 2 0 0 2 .
A r a n d a - A n z a l d o , A . C a n c e r D e v e l o p m e n t a n d P r o g r e s s i o n : A N o n - A d a p t i v e
P r o c e s s D r i v e n b y G e n e t i c D r i f t . A c t a B i o t h e o r e t i c a , 4 9 ( 2 ) : 8 9 1 0 8 , 2 0 0 1 .
B a c h , J . - F . a n d C h a t e n o u d , L . T h e H y g i e n e H y p o t h e s i s : A n E x p l a n a t i o n f o r
t h e I n c r e a s e d F r e q u e n c y o f I n s u l i n - D e p e n d e n t D i a b e t e s . C o l d S p r i n g H a r b o r
P e r s p e c t i v e s i n M e d i c i n e , 2 ( 2 ) : d o i : 1 0 . 1 1 0 1 / c s h p e r s p e c t . a 0 0 7 7 9 9 , 2 0 1 2 .
B a i l e y - B u c k t r o u t , S . L . a n d B l u e s t o n e , J . A . R e g u l a t o r y T c e l l s : s t a b i l i t y r e -
v i s i t e d . T r e n d s i n I m m u n o l o g y , 3 2 ( 7 ) : 3 0 1 3 0 6 , 2 0 1 1 .
B a r o n z i o , G . a n d F r e i t a s , I . T u m o r m i c r o e n v i r o n m e n t g e n e s i s a n d i m p l i c a t i o n s
o n c a n c e r i m m u n e r e s p o n s e . I n M . V . K i s e l e v s k y , e d i t o r , A t l a s E e c t o r s o f
A n t i - T u m o r I m m u n i t y , c h a p t e r 2 , p a g e s 2 5 4 4 . S p r i n g e r , N e w Y o r k , 2 0 0 8 .
B e l k a i d , Y . R e g u l a t o r y T c e l l s a n d i n f e c t i o n : a d a n g e r o u s n e c e s s i t y . N a t u r e
R e v i e w s I m m u n o l o g y , 7 ( 1 1 ) : 8 7 5 8 8 8 , 2 0 0 7 .
B e r n a r d , C . I n t r o d u c t i o n à l ' é t u d e d e l a m é d e c i n e e x p é r i m e n t a l e . B a i l l i é r e ,
P a r i s , 1 8 6 5 .
B o u s s o , P . T - c e l l a c t i v a t i o n b y d e n d r i t i c c e l l s i n t h e l y m p h n o d e : l e s s o n s f r o m
t h e m o v i e s . N a t u r e R e v i e w s I m m u n o l o g y , 8 ( 9 ) : 6 7 5 6 8 4 , 2 0 0 8 .
B r e d e w e g , B . a n d S t r u s s , P . C u r r e n t T o p i c s i n Q u a l i t a t i v e R e a s o n i n g . A I
M a g a z i n e , 2 4 ( 4 ) : 1 3 1 6 , 2 0 0 4 .
B y r n e , W . L . a n d M i l l s , K . H . G . a n d L e d e r e r , J . A . a n d O ' S u l l i v a n , G . C . T a r -
g e t i n g R e g u l a t o r y T C e l l s i n C a n c e r . C a n c e r R e s e a r c h , 7 1 ( 2 2 ) : 6 9 1 5 6 9 2 0 ,
2 0 1 1 .
C a r m o n a B a y o n a s , A . A n E v o l u t i o n a r y E x p l a n a t i o n f o r t h e P e r t u r b a t i o n o f
t h e D y n a m i c s o f M e t a s t a t i c T u m o r s I n d u c e d b y S u r g e r y a n d A c u t e I n a m -
m a t i o n . C a n c e r s , 3 ( 1 ) : 9 4 5 9 7 0 , 2 0 1 1 .
C h e n , W . a n d F o r d , M . S . a n d Y o u n g , K . J . a n d Z h a n g , L . T h e r o l e a n d m e c h -
a n i s m s o f d o u b l e n e g a t i v e r e g u l a t o r y T c e l l s i n t h e s u p p r e s s i o n o f i m m u n e
r e s p o n s e s . C e l l M o l I m m u n o l , 1 ( 5 ) : 3 2 8 3 3 5 , 2 0 0 4 .
C h r i s t e n , U . a n d v o n H e r r a t h , M . G . I n f e c t i o n s a n d A u t o i m m u n i t y G o o d o r
B a d ? T h e J o u r n a l o f I m m u n o l o g y , 1 7 4 ( 1 2 ) : 7 4 8 1 7 4 8 6 , 2 0 0 5 .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
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R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 3 7
C l a r k , A . S u p e r s i z i n g t h e M i n d : E m b o d i m e n t , A c t i o n , a n d C o g n i t i v e E x t e n -
s i o n . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s , O x f o r d , 2 0 0 8 .
C o l l i n g w o o d , R . G . A n A u t o b i o g r a p h y . C l a r e n d o n P r e s s , O x f o r d , 1 9 7 8 .
C o l l i n g w o o d , R . G . A n E s s a y o n M e t a p h y s i c s . C l a r e n d o n P r e s s , O x f o r d , 3 r d
e d i t i o n , 2 0 0 2 .
C o l o m b o , M . P . a n d P i c o n e s e , S . R e g u l a t o r y T - c e l l i n h i b i t i o n v e r s u s d e p l e t i o n :
t h e r i g h t c h o i c e i n c a n c e r i m m u n o t h e r a p y . N a t u r e R e v i e w s C a n c e r , 7 ( 1 1 ) :
8 8 0 8 8 7 , 2 0 0 7 .
C o u k o s , G . a n d B e n e n c i a , F . D e n d r i t i c C e l l s : F r o m I n d u c e r s o f S p e c i c T -
C e l l R e s p o n s e s t o P r o m o t e r s o f A n g i o g e n e s i s : D e n d r i t i c C e l l s i n C a n c e r . I n
S a l t e r , R . D . a n d S h u r i n , M . R . , e d i t o r , D e n d r i t i c C e l l s i n C a n c e r , c h a p t e r 1 6 ,
p a g e s 2 3 1 2 4 1 . S p r i n g e r , B e r l i n , 2 0 0 9 .
C o y l e , P . K . M S : P a t h o l o g y a n d I m m u n o l o g y . I n R i z v i , S . A . a n d C o y l e , P . K . ,
e d i t o r , C l i n i c a l N e u r o i m m u n o l o g y : M u l t i p l e S c l e r o s i s a n d R e l a t e d D i s o r d e r s ,
c h a p t e r 3 , p a g e s 4 3 6 9 . H u m a n a P r e s s , N e w Y o r k , 2 0 1 1 .
C r a v e r , C . F . E x p l a i n i n g t h e B r a i n : M e c h a n i s m s a n d t h e M o s a i c U n i t y o f
N e u r o s c i e n c e . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s , O x f o r d , 2 0 0 7 .
C u r i e l , T . J . a n d C o u k o s , G . e t a l . S p e c i c r e c r u i t m e n t o f r e g u l a t o r y T c e l l s i n
o v a r i a n c a r c i n o m a f o s t e r s i m m u n e p r i v i l e g e a n d p r e d i c t s r e d u c e d s u r v i v a l .
N a t u r e M e d i c i n e , 1 0 ( 9 ) : 9 4 2 9 4 9 , 2 0 0 4 .
D a l g l e i s h , A . G . a n d H a e f n e r , B . T h e l i n k b e t w e e n i n a m m a t i o n a n d c a n c e r
W o u n d s t h a t d o n o t h e a l . S p r i n g e r , B e r l i n , 2 0 0 6 .
D a r d e n , L . M e c h a n i s m s a n d M o d e l s . I n D . L . H u l l a n d M . R u s e , e d i t o r ,
T h e C a m b r i d g e C o m p a n i o n t o t h e P h i l o s o p h y o f B i o l o g y , p a g e s 1 3 9 1 5 9 .
C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s , C a m b r i d g e , 2 0 0 7 .
D a s , B . a n d K a s h i n o , S . S . a n d P u l u , I . a n d K a l i t a , D . e t a l . C D 2 7 1 + B o n e
M a r r o w M e s e n c h y m a l S t e m C e l l s M a y P r o v i d e a N i c h e f o r D o r m a n t M y -
c o b a c t e r i u m t u b e r c u l o s i s . S c i e n c e T r a n s l a t i o n a l M e d i c i n e , 5 ( 1 7 0 ) : 1 7 0 r a 1 3 ,
2 0 1 3 .
D a v i s , D . M . I n t e r c e l l u l a r t r a n s f e r o f c e l l - s u r f a c e p r o t e i n s i s c o m m o n a n d c a n
a e c t m a n y s t a g e s o f a n i m m u n e r e s p o n s e . N a t u r e R e v i e w s I m m u n o l o g y , 7
( 3 ) : 2 3 8 2 4 3 , 2 0 0 7 .
D e K l e e r , J . H o w c i r c u i t s w o r k . A r t i c i a l I n t e l l i g e n c e , 2 4 ( 1 3 ) : 2 0 5 2 8 0 , 1 9 8 4 .
D i e z , J . a n d P a r k , Y . a n d Z e l l e r , M . a n d B r o w n , D . a n d G a r z a , D . e t a l .
D i e r e n t i a l S p l i c i n g o f t h e I A - 2 m R N A i n P a n c r e a s a n d L y m p h o i d O r g a n s
a s a P e r m i s s i v e G e n e t i c M e c h a n i s m f o r A u t o i m m u n i t y A g a i n s t t h e I A - 2
T y p e 1 D i a b e t e s A u t o a n t i g e n . D i a b e t e s , 5 0 ( 4 ) : 8 9 5 9 0 0 , 2 0 0 1 .
D v o r a k , H . F . T u m o r s : W o u n d s T h a t D o N o t H e a l . N e w E n g l a n d J o u r n a l o f
M e d i c i n e , 3 1 5 ( 2 6 ) : 1 6 5 0 1 6 5 9 , 1 9 8 6 .
D y s o n , F . A m e e t i n g w i t h E n r i c o F e r m i . N a t u r e , 4 2 7 ( 6 9 7 2 ) : 2 9 7 2 9 7 , 2 0 0 4 .
E l d e r s h a w , S . A . a n d S a n s o m , D . M . a n d N a r e n d r a n , P . E x p r e s s i o n a n d f u n c t i o n
o f t h e a u t o i m m u n e r e g u l a t o r ( A i r e ) g e n e i n n o n - t h y m i c t i s s u e . C l i n i c a l &
E x p e r i m e n t a l I m m u n o l o g y , 1 6 3 ( 3 ) : 2 9 6 3 0 8 , 2 0 1 1 .
E m b r y , A . F . T h e M u l t i p l e F a c t o r s o f M u l t i p l e S c l e r o s i s : A D a r w i n i a n P e r s p e c -
t i v e . J o u r n a l o f N u t r i t i o n a l a n d E n v i r o n m e n t a l M e d i c i n e , 1 4 ( 4 ) : 3 0 7 3 1 7 ,
2 0 0 4 .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
http://slidepdf.com/reader/full/mattiussi2013-rethinking-theoretical-biology 38/41
3 8 C l a u d i o M a t t i u s s i
F a s a n o , A . a n d S h e a - D o n o h u e , T . M e c h a n i s m s o f D i s e a s e : t h e r o l e o f i n t e s t i n a l
b a r r i e r f u n c t i o n i n t h e p a t h o g e n e s i s o f g a s t r o i n t e s t i n a l a u t o i m m u n e d i s e a s e s .
N a t u r e C l i n i c a l P r a c t i c e G a s t r o e n t e r o l o g y & H e p a t o l o g y , 2 ( 9 ) : 4 1 6 4 2 2 , 2 0 0 5 .
F l o r e a n o , D . a n d M a t t i u s s i , C . B i o - i n s p i r e d a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e : t h e o r i e s ,
m e t h o d s , a n d t e c h n o l o g i e s . M I T P r e s s , C a m b r i d g e , M A , 2 0 0 8 .
F o l k m a n , J . a n d K a l l u r i , R . C a n c e r w i t h o u t d i s e a s e . N a t u r e , 4 2 7 ( 6 9 7 7 ) : 7 8 7
7 8 7 , 2 0 0 4 .
F o o t e , A . K . a n d B l a k e m o r e , W . F . I n a m m a t i o n s t i m u l a t e s r e m y e l i n a t i o n i n
a r e a s o f c h r o n i c d e m y e l i n a t i o n . B r a i n , 1 2 8 ( 3 ) : 5 2 8 5 3 9 , 2 0 0 5 .
F r e n c h , M . I n v e n t i o n a n d E v o l u t i o n : D e s i g n i n N a t u r e a n d E n g i n e e r i n g . C a m -
b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s , C a m b r i d g e , 2 n d e d i t i o n , 1 9 9 4 .
F r i d m a n , W . H . a n d P a g è s , F . a n d S a u t è s - F r i d m a n , C . a n d G a l o n , J . T h e
i m m u n e c o n t e x t u r e i n h u m a n t u m o u r s : i m p a c t o n c l i n i c a l o u t c o m e . N a t u r e
R e v i e w s C a n c e r , 1 2 ( 4 ) : 2 9 8 3 0 6 , 2 0 1 2 .
F u c h s , E . J . a n d M a t z i n g e r , P . I s c a n c e r d a n g e r o u s t o t h e i m m u n e s y s t e m ?
S e m i n a r s i n I m m u n o l o g y , 8 ( 5 ) : 2 7 1 2 8 0 , 1 9 9 6 .
G a l l , J . S y s t e m a n t i c s : T h e U n d e r g r o u n d T e x t o f S y s t e m s L o r e . T h e G e n e r a l
S y s t e m a n t i c s P r e s s , A n n A r b o r , M I , 2 n d e d i t i o n , 1 9 8 6 .
G a l l u c c i , S . a n d L o l k e m a , M . a n d M a t z i n g e r , P . N a t u r a l a d j u v a n t s : E n d o g e -
n o u s a c t i v a t o r s o f d e n d r i t i c c e l l s . N a t u r e M e d i c i n e , 5 ( 1 1 ) : 1 2 4 9 1 2 5 5 , 1 9 9 9 .
G a l l u c c i , S . a n d M a t z i n g e r , P . D a n g e r s i g n a l s : S O S t o t h e i m m u n e s y s t e m .
C u r r e n t O p i n i o n i n I m m u n o l o g y , 1 3 ( 1 ) : 1 1 4 1 1 9 , 2 0 0 1 .
G i b b s , W . W . C y b e r n e t i c c e l l s . S c i e n t i c A m e r i c a n , 2 8 5 ( 2 ) : 5 2 5 7 , 2 0 0 1 .
G i l b e r t , B . W h e r e D o L i t t l e C i r c u i t s C o m e F r o m ? I n W i l l i a m s , J . , e d i t o r ,
A n a l o g C i r c u i t D e s i g n : A r t , S c i e n c e , a n d P e r s o n a l i t i e s , c h a p t e r 1 9 , p a g e s
1 7 7 1 8 6 . B u t t e r w o r t h - H e i n e m a n n , B o s t o n , 1 9 9 1 .
G i l b o a , E . T h e p r o m i s e o f c a n c e r v a c c i n e s . N a t u r e R e v i e w s C a n c e r , 4 ( 5 ) :
4 0 1 4 1 1 , 2 0 0 4 .
G o v e r m a n , J . M . A u t o i m m u n e T c e l l r e s p o n s e s i n t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m .
N a t u r e R e v i e w s I m m u n o l o g y , 9 ( 6 ) : 3 9 3 4 0 7 , 2 0 0 9 .
G r e a v e s , M . a n d M a l e y , C . C . C l o n a l e v o l u t i o n i n c a n c e r . N a t u r e , 4 8 1 ( 7 3 8 1 ) :
3 0 6 3 1 3 , 2 0 1 2 .
H a m m i n g , R . W . N u m e r i c a l M e t h o d s f o r S c i e n t i s t s a n d E n g i n e e r s . M c G r a w -
H i l l , N e w Y o r k , 1 9 6 2 .
H o p t i o n C a n n , S . A . a n d v a n N e t t e n , J . P . a n d v a n N e t t e n , C . a n d G l o v e r ,
D . W . S p o n t a n e o u s r e g r e s s i o n : A h i d d e n t r e a s u r e b u r i e d i n t i m e . M e d i c a l
H y p o t h e s e s , 5 8 ( 2 ) : 1 1 5 1 1 9 , 2 0 0 2 .
H r ú z , B . a n d Z h o u , M . C . M o d e l i n g a n d c o n t r o l o f d i s c r e t e - e v e n t d y n a m i c
s y s t e m s w i t h P e t r i n e t s a n d o t h e r t o o l s . S p r i n g e r , L o n d o n , 2 0 0 7 .
J u v e t , S . C . a n d Z h a n g , L . D o u b l e n e g a t i v e r e g u l a t o r y T c e l l s i n t r a n s p l a n t a -
t i o n a n d a u t o i m m u n i t y : r e c e n t p r o g r e s s a n d f u t u r e d i r e c t i o n s . J o u r n a l o f
M o l e c u l a r C e l l B i o l o g y , 4 ( 1 ) : 4 8 5 8 , 2 0 1 2 .
K l e i n , C . A . P a r a l l e l p r o g r e s s i o n o f p r i m a r y t u m o u r s a n d m e t a s t a s e s . N a t u r e
R e v i e w s C a n c e r , 9 ( 4 ) : 3 0 2 3 1 2 , 2 0 0 9 .
K n i g h t , J . P h y s i c s m e e t s b i o l o g y . B r i d g i n g t h e c u l t u r e g a p . N a t u r e , 4 1 9 ( 6 9 0 4 ) :
2 4 4 2 4 6 , 2 0 0 2 .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
http://slidepdf.com/reader/full/mattiussi2013-rethinking-theoretical-biology 39/41
R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 3 9
K n i p , M . a n d S i m e l l , O . E n v i r o n m e n t a l T r i g g e r s o f T y p e 1 D i a b e t e s .
C o l d S p r i n g H a r b o r P e r s p e c t i v e s i n M e d i c i n e , 2 : d o i : 1 0 . 1 1 0 1 / c s h p e r -
s p e c t . a 0 0 7 6 9 0 , 2 0 1 2 .
K r o h s , U . a n d C a l l e b a u t , W . D a t a w i t h o u t m o d e l s m e r g i n g w i t h m o d e l s
w i t h o u t d a t a . I n B o o g e r d , F . C . e t a l . , e d i t o r , S y s t e m s B i o l o g y : P h i l o s o p h i c a l
F o u n d a t i o n s , p a g e s 1 8 1 2 1 4 . E l s e v i e r , A m s t e r d a m , 2 0 0 7 .
K u r t s , C . a n d R o b i n s o n , B . W . S . a n d K n o l l e , P . A . C r o s s - p r i m i n g i n h e a l t h
a n d d i s e a s e . N a t u r e R e v i e w s I m m u n o l o g y , 1 0 ( 6 ) : 4 0 3 4 1 4 , 2 0 1 0 .
L a t h r o p , S . K . a n d B l o o m , S . M . a n d R a o , S . M . a n d N u t s c h , K . a n d L i o , C . - W .
e t a l . P e r i p h e r a l e d u c a t i o n o f t h e i m m u n e s y s t e m b y c o l o n i c c o m m e n s a l
m i c r o b i o t a . N a t u r e , 4 7 8 ( 7 3 6 8 ) : 2 5 0 2 5 4 , 2 0 1 1 .
L a z e b n i k , Y . C a n a b i o l o g i s t x a r a d i o ? O r , w h a t I l e a r n e d w h i l e s t u d y i n g
a p o p t o s i s . C a n c e r C e l l , 2 ( 3 ) : 1 7 9 1 8 2 , 2 0 0 2 .
M a d a r , S . a n d G o l d s t e i n , I . a n d R o t t e r , V . D i d E x p e r i m e n t a l B i o l o g y D i e ?
L e s s o n s f r o m 3 0 Y e a r s o f p 5 3 R e s e a r c h . C a n c e r R e s e a r c h , 6 9 ( 1 6 ) : 6 3 7 8 6 3 8 0 ,
2 0 0 9 .
M a i l l o u x , A . a n d Y o u n g , M . R . I . R e g u l a t o r y T - c e l l T r a c k i n g : F r o m T h y m i c
D e v e l o p m e n t t o T u m o r - I n d u c e d I m m u n e S u p p r e s s i o n . C r i t i c a l R e v i e w s i n
I m m u n o l o g y , 3 0 ( 5 ) : 4 3 5 4 4 7 , 2 0 1 0 .
M a p a r a , M . Y . a n d S y k e s , M . T o l e r a n c e a n d C a n c e r : M e c h a n i s m s o f T u m o r
E v a s i o n a n d S t r a t e g i e s f o r B r e a k i n g T o l e r a n c e . J o u r n a l o f C l i n i c a l O n c o l o g y ,
2 2 ( 6 ) : 1 1 3 6 1 1 5 1 , 2 0 0 4 .
M a t t i u s s i , C . a n d M a r b a c h , D . a n d D ü r r , P . a n d F l o r e a n o , D . T h e a g e o f
a n a l o g n e t w o r k s . A I M a g a z i n e , 2 9 ( 3 ) : 6 3 7 6 , 2 0 0 8 .
M a t z i n g e r , P . T h e D a n g e r M o d e l : A R e n e w e d S e n s e o f S e l f . S c i e n c e , 2 9 6
( 5 5 6 6 ) : 3 0 1 3 0 5 , 2 0 0 2 .
M a t z i n g e r , P . a n d K a m a l a , T . T i s s u e - b a s e d c l a s s c o n t r o l : t h e o t h e r s i d e o f
t o l e r a n c e . N a t u r e R e v i e w s I m m u n o l o g y , 1 1 ( 3 ) : 2 2 1 2 3 0 , 2 0 1 1 .
M c K h a n n , C . F . a n d Y a r l o t t , M . A . T u m o r i m m u n o l o g y . C A : A C a n c e r J o u r n a l
f o r C l i n i c i a n s , 2 5 ( 4 ) : 1 8 7 1 9 7 , 1 9 7 5 .
M e d z h i t o v , R . a n d J a n e w a y , C . A . , J r . D e c o d i n g t h e P a t t e r n s o f S e l f a n d
N o n s e l f b y t h e I n n a t e I m m u n e S y s t e m . S c i e n c e , 2 9 6 ( 5 5 6 6 ) : 2 9 8 3 0 0 , 2 0 0 2 .
M e r l o , L . M . F . a n d P e p p e r , J . W . a n d R e i d , B . J . a n d M a l e y , C . C . C a n c e r a s a n
e v o l u t i o n a r y a n d e c o l o g i c a l p r o c e s s . N a t u r e R e v i e w s C a n c e r , 6 ( 1 2 ) : 9 2 4 9 3 5 ,
2 0 0 6 .
M o o r e , A . H a v e w e p r o d u c e d e n o u g h r e s u l t s y e t , s i r ? B i o E s s a y s , 3 4 ( 3 ) : 1 6 3 ,
2 0 1 2 .
M o s s , L . a n d N i c h o l s o n , D . J . O n n a t u r e a n d n o r m a t i v i t y : N o r m a t i v i t y , t e l e -
o l o g y , a n d m e c h a n i s m i n b i o l o g i c a l e x p l a n a t i o n . S t u d i e s i n H i s t o r y a n d
P h i l o s o p h y o f B i o l o g i c a l a n d B i o m e d i c a l S c i e n c e s , 4 3 ( 1 ) : 8 8 9 1 , 2 0 1 2 .
N a t h a n , C . P o i n t s o f c o n t r o l i n i n a m m a t i o n . N a t u r e , 4 2 0 ( 6 9 1 7 ) : 8 4 6 8 5 2 ,
2 0 0 2 .
N e r s e s s i a n , N . C r e a t i n g s c i e n t i c c o n c e p t s . M I T P r e s s , C a m b r i d g e , M A , 2 0 0 8 .
N o b l e , J . A . a n d E r l i c h , H . A . G e n e t i c s o f T y p e 1 D i a b e t e s . C o l d S p r i n g H a r b o r
P e r s p e c t i v e s i n M e d i c i n e , 2 ( 1 ) : d o i : 1 0 . 1 1 0 1 / c s h p e r s p e c t . a 0 0 7 7 3 2 , 2 0 1 2 .
N o r m a n , D . A . C o g n i t i v e a r t i f a c t s . I n C a r r o l l J . M . , e d i t o r , D e s i g n i n g i n t e r a c -
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
http://slidepdf.com/reader/full/mattiussi2013-rethinking-theoretical-biology 40/41
4 0 C l a u d i o M a t t i u s s i
t i o n , p a g e s 1 7 3 8 . C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s , C a m b r i d g e , 1 9 9 1 .
O e r t l e , V . L . W h a t Y o u S h o u l d K n o w A b o u t T r a i l e r B r a k e s . P o p u l a r S c i e n c e ,
1 9 5 ( 1 ) : 1 1 1 1 1 3 , 1 9 6 9 .
P h a m , S . M . a n d R a o , A . S . a n d Z e e v i , A . a n d M c C u r r y , K . R . a n d K e e n a n , R . J .
e t a l . E e c t s o f d o n o r b o n e m a r r o w i n f u s i o n i n c l i n i c a l l u n g t r a n s p l a n t a t i o n .
T h e A n n a l s o f T h o r a c i c S u r g e r y , 6 9 ( 2 ) : 3 4 5 3 5 0 , 2 0 0 0 .
P l a t t , J . R . S t r o n g I n f e r e n c e . S c i e n c e , 1 4 6 ( 3 6 4 2 ) : 3 4 7 3 5 3 , 1 9 6 4 .
R e t s k y , M . . W . a n d D e m i c h e l i , R . a n d H r u s h e s k y , W . J . M . a n d B a u m , M . a n d
G u k a s , I . D . D o r m a n c y a n d s u r g e r y - d r i v e n e s c a p e f r o m d o r m a n c y h e l p e x -
p l a i n s o m e c l i n i c a l f e a t u r e s o f b r e a s t c a n c e r . A P M I S , 1 1 6 ( 7 - 8 ) : 7 3 0 7 4 1 ,
2 0 0 8 .
R o u s e , B . T . a n d S u v a s , S . R e g u l a t o r y C e l l s a n d I n f e c t i o u s A g e n t s : D é t e n t e s
C o r d i a l e a n d C o n t r a i r e . T h e J o u r n a l o f I m m u n o l o g y , 1 7 3 ( 4 ) : 2 2 1 1 2 2 1 5 ,
2 0 0 4 .
R u s s o , L . T h e F o r g o t t e n R e v o l u t i o n . S p r i n g e r , B e r l i n , 2 0 0 4 .
S a k a g u c h i , S . N a t u r a l l y a r i s i n g F o x p 3 - e x p r e s s i n g C D 2 5 + C D 4 + r e g u l a t o r y T
c e l l s i n i m m u n o l o g i c a l t o l e r a n c e t o s e l f a n d n o n - s e l f . N a t u r e I m m u n o l o g y , 6
( 4 ) : 3 4 5 3 5 2 , 2 0 0 5 .
S a k a g u c h i , S . R e g u l a t o r y T C e l l s : H i s t o r y a n d P e r s p e c t i v e . I n K a s s i o t i s , G .
a n d L i s t o n , A . , e d i t o r , R e g u l a t o r y T C e l l s : M e t h o d s a n d P r o t o c o l s , v o l u m e
7 0 7 , c h a p t e r 1 , p a g e s 3 1 7 . H u m a n a P r e s s , N e w Y o r k , 2 0 1 1 .
S a k a g u c h i , S . a n d Y a m a g u c h i , T . a n d N o m u r a , T . a n d O n o , M . R e g u l a t o r y T
C e l l s a n d I m m u n e T o l e r a n c e . C e l l , 1 3 3 ( 5 ) : 7 7 5 7 8 7 , 2 0 0 8 .
S c h a f e r , M . a n d W e r n e r , S . C a n c e r a s a n o v e r h e a l i n g w o u n d : a n o l d h y p o t h e s i s
r e v i s i t e d . N a t u r e R e v i e w s M o l e c u l a r C e l l B i o l o g y , 9 ( 8 ) : 6 2 8 6 3 8 , 2 0 0 8 .
S c h r e i b e r , R . D . a n d O l d , L . J . a n d S m y t h , M . J . C a n c e r I m m u n o e d i t i n g : I n t e -
g r a t i n g I m m u n i t y ' s R o l e s i n C a n c e r S u p p r e s s i o n a n d P r o m o t i o n . S c i e n c e ,
3 3 1 ( 6 0 2 4 ) : 1 5 6 5 1 5 7 0 , 2 0 1 1 .
S i m o n , H . A . T h e S c i e n c e o f t h e A r t i c i a l . M I T P r e s s , C a m b r i d g e , M A , 3 r d
e d i t i o n , 1 9 9 6 .
S i m o n e , R . L a n g u a g e s a s m é t h o d e s a n a l y t i q u e s i n C o n d i l l a c . I n B u z z e l l i ,
D i n o a n d F e r r i a n i , M a u r i z i o , e d i t o r , S p e c u l a t i v e g r a m m a r , u n i v e r s a l g r a m -
m a r , a n d p h i l o s o p h i c a l a n a l y s i s o f l a n g u a g e , v o l u m e 4 2 , p a g e s 6 5 7 3 . J o h n
B e n j a m i n s B . V . , A m s t e r d a m , 1 9 8 7 .
S m i t h e r s , D . W . C a n c e r : A n A t t a c k o n C y t o l o g i s m . T h e L a n c e t , 2 7 9 ( 7 2 2 8 ) :
4 9 3 4 9 9 , 1 9 6 2 .
S o r g e r , P . K . A r e d u c t i o n i s t ' s s y s t e m s b i o l o g y . C u r r e n t O p i n i o n i n C e l l B i o l -
o g y , 1 7 ( 1 ) : 9 1 1 , 2 0 0 5 .
S o t o , A . M . a n d S o n n e n s c h e i n , C . T h e t i s s u e o r g a n i z a t i o n e l d t h e o r y o f c a n c e r :
A t e s t a b l e r e p l a c e m e n t f o r t h e s o m a t i c m u t a t i o n t h e o r y . B i o E s s a y s , 3 3 ( 5 ) :
3 3 2 3 4 0 , 2 0 1 1 .
S o z z a n i , S . a n d R u s n a t i , M . a n d R i b o l d i , E . a n d M i t o l a , S . a n d P r e s t a , M .
D e n d r i t i c c e l l - e n d o t h e l i a l c e l l c r o s s - t a l k i n a n g i o g e n e s i s . T r e n d s i n I m m u n o l -
o g y , 2 8 ( 9 ) : 3 8 5 3 9 2 , 2 0 0 7 .
S t a r n e s , C . O . C o l e y ' s t o x i n s i n p e r s p e c t i v e . N a t u r e , 3 5 7 ( 6 3 7 3 ) : 1 1 1 2 , 1 9 9 2 .
T a c k e n , P . J . a n d d e V r i e s , I . J . M . a n d T o r e n s m a , R . a n d F i g d o r , C . G .
7/28/2019 Mattiussi2013 Rethinking Theoretical Biology
http://slidepdf.com/reader/full/mattiussi2013-rethinking-theoretical-biology 41/41
R e t h i n k i n g T h e o r e t i c a l B i o l o g y 4 1
D e n d r i t i c - c e l l i m m u n o t h e r a p y : f r o m e x v i v o l o a d i n g t o i n v i v o t a r g e t i n g .
N a t u r e R e v i e w s I m m u n o l o g y , 7 ( 1 0 ) : 7 9 0 8 0 2 , 2 0 0 7 .
T a m b u y z e r , B . R . a n d P o n s a e r t s , P . a n d N o u w e n , E . J . M i c r o g l i a : g a t e k e e p e r s
o f c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m i m m u n o l o g y . J o u r n a l o f L e u k o c y t e B i o l o g y , 8 5 ( 3 ) :
3 5 2 3 7 0 , 2 0 0 9 .
T e r r y , W . D . B C G i n t h e t r e a t m e n t o f h u m a n c a n c e r . C A : A C a n c e r J o u r n a l
f o r C l i n i c i a n s , 2 5 ( 4 ) : 1 9 8 2 0 3 , 1 9 7 5 .
T h a g a r d , P . E x p l a i n i n g D i s e a s e : C o r r e l a t i o n s , C a u s e s , a n d M e c h a n i s m s . I n
F . C . K e i l a n d R . A . W i l s o n , e d i t o r , E x p l a n a t i o n a n d C o g n i t i o n , c h a p t e r 1 0 ,
p a g e s 2 5 5 2 7 6 . M I T P r e s s , C a m b r i d g e , M A , 2 0 0 0 .
U h r , J . W . a n d P a n t e l , K . C o n t r o v e r s i e s i n c l i n i c a l c a n c e r d o r m a n c y . P r o c e e d -
i n g s o f t h e N a t i o n a l A c a d e m y o f S c i e n c e s , 1 0 8 ( 3 0 ) : 1 2 3 9 6 1 2 4 0 0 , 2 0 1 1 .
V a l a s t y a n , S . a n d W e i n b e r g , R . A . T u m o r M e t a s t a s i s : M o l e c u l a r I n s i g h t s a n d
E v o l v i n g P a r a d i g m s . C e l l , 1 4 7 ( 2 ) : 2 7 5 2 9 2 , 2 0 1 1 .
W i c k i , A . a n d C h r i s t o f o r i , G . T h e A n g i o g e n i c S w i t c h i n T u m o r i g e n e s i s . I n
M a r m é , D . a n d F u s e n i g , N . , e d i t o r , T u m o r A n g i o g e n e s i s - B a s i c M e c h a n i s m s
a n d C a n c e r T h e r a p y , c h a p t e r 4 , p a g e s 6 8 8 8 . S p r i n g e r , B e r l i n , 2 0 0 8 .
W i l l i a m s , J . T h e I m p o r t a n c e o f F i x i n g . I n W i l l i a m s , J . , e d i t o r , T h e A r t
a n d S c i e n c e o f A n a l o g C i r c u i t D e s i g n , c h a p t e r 1 , p a g e s 3 7 . B u t t e r w o r t h -
H e i n e m a n n , B o s t o n , 1 9 9 5 .
W i m s a t t , W . C . O n b u i l d i n g r e l i a b l e p i c t u r e s w i t h u n r e l i a b l e d a t a : A n e v o l u -
t i o n a r y a n d d e v e l o p m e n t a l c o d a f o r t h e n e w s y s t e m s b i o l o g y ? I n B o o g e r d
F . C . e t a l . , e d i t o r , S y s t e m s B i o l o g y : P h i l o s o p h i c a l F o u n d a t i o n s , p a g e s 1 0 3
1 2 0 . E l s e v i e r , A m s t e r d a m , 2 0 0 7 .
W o o d , K . J . a n d B u s h e l l , A . a n d H e s t e r , J . R e g u l a t o r y i m m u n e c e l l s i n t r a n s -
p l a n t a t i o n . N a t u r e R e v i e w s I m m u n o l o g y , 1 2 ( 6 ) : 4 1 7 4 3 0 , 2 0 1 2 .
Y u , P a n d L e e , Y . a n d L i u , W . a n d K r a u s z , T . a n d C h o n g , A . e t a l . I n t r a t u -
m o r d e p l e t i o n o f C D 4 + c e l l s u n m a s k s t u m o r i m m u n o g e n i c i t y l e a d i n g t o t h e
r e j e c t i o n o f l a t e - s t a g e t u m o r s . T h e J o u r n a l o f E x p e r i m e n t a l M e d i c i n e , 2 0 1
( 5 ) : 7 7 9 7 9 1 , 2 0 0 5 .
Z h a n g , L . a n d G u , F . X . a n d C h a n , J . M . a n d W a n g , A . Z . a n d L a n g e r , R . S . e t
a l . N a n o p a r t i c l e s i n M e d i c i n e : T h e r a p e u t i c A p p l i c a t i o n s a n d D e v e l o p m e n t s .
C l i n i c a l P h a r m a c o l o g y & T h e r a p e u t i c s , 8 3 ( 5 ) : 7 6 1 7 6 9 , 2 0 0 7 .
Z h a o , E . a n d X u , H . a n d W a n g , L . a n d K r y c z e k , I . a n d W u , K . e t a l . B o n e
m a r r o w a n d t h e c o n t r o l o f i m m u n i t y . C e l l u l a r & M o l e c u l a r I m m u n o l o g y , 9
( 1 ) : 1 1 1 9 , 2 0 1 2 .
Z h o u , G . a n d D i n g , Z . - C . e t a l . P r e s e n t a t i o n o f A c q u i r e d P e p t i d e - M H C C l a s s
I I L i g a n d s b y C D 4 + R e g u l a t o r y T C e l l s o r H e l p e r C e l l s D i e r e n t i a l l y R e g u -
l a t e s A n t i g e n - S p e c i c C D 4 + T C e l l R e s p o n s e . T h e J o u r n a l o f I m m u n o l o g y ,
1 8 6 ( 4 ) : 2 1 4 8 2 1 5 5 , 2 0 1 1 .