Naturen är full av mönster. Bland dem finns kakelmönster, som efterliknar vad du skulle se på ett kaklat badrumsgolv, som kännetecknas av både kakel och gränssnitt – som fogmassa – däremellan. I naturen är en giraffs färgsättning ett exempel på ett kakelmönster. Men vad får dessa naturliga mönster att bildas?

En ny studie från University of Arizona använder bakterier för att förstå hur brickor och gränssnitt blir till. Fynden har implikationer för att förstå hur komplext, flercelligt liv kan ha utvecklats på jorden och hur nya biomaterial kan skapas från biologiska källor.

I många biologiska system är plattsättningsmönster funktionellt viktiga. Till exempel har en flugas vingar brickor och gränssnitt. Vener, som ger stabilitet och innehåller nerver, är gränssnitt som bryter upp en vinge i mindre brickor. Och hos människor innehåller näthinnan på baksidan av det inre ögat celler som är arrangerade som en mosaik av plattor för att bearbeta det som finns i vårt synfält.

En hel del forskning har tittat på hur sådana mönster kan etableras genom biokemiska interaktioner. Mönster kan emellertid också etableras genom mekaniska interaktioner. Den processen är inte lika väl förstådd.

En ny artikel publicerad i Nature lyser nytt ljus på mekanisk mönsterbildning. Det leddes av tidigare postdoktor i UArizona Honesty Kim. Ingmar Riedel-Kruse, docent vid UArizonas avdelning för molekylär och cellulär biologi, är tidningens seniorförfattare.

Riedel-Kruse-labbet, i samarbete med forskare från Massachusetts Institute of Technologys Applied Mathematics Department, använde bakterier för att modellera hur kakelmönster kan uppstå genom mekaniska interaktioner.

Teamet utvecklade olika adhesiva, eller klibbiga, molekyler som placerades på ytan av bakterieceller, vilket gjorde det möjligt för olika celltyper att selektivt hålla ihop. När dessa förändrade bakterier sedan placerades på en petriskål, började bakterierna växa mot varandra. Närhelst två olika bakterietyper möttes, bildades antingen ett gränssnitt eller inte, beroende på om deras ytvidhäftningsmolekyler var komplementära eller inte. Gränssnitten var vanligtvis en halv millimeter breda och tre till 10 millimeter långa och innehöll miljontals bakterier. Många sådana gränssnitt resulterade sedan i en mängd komplexa kakelmönster – beroende på de initiala bakteriella placeringarna på petriskålen.

Författarna undersökte sedan vilka typer av kakelmönster som kunde genereras och om det finns en underliggande logik. De fann att bara fyra olika adhesiva molekyler är tillräckliga för att göra alla möjliga kakelmönster. Kakelmönster kan variera i form, storlek och placering av gränssnitten.

"Vi bevisade detta matematiskt med den berömda fyrfärgskartasatsen, som säger att det inte behövs mer än fyra färger för att se till att två länder som berörs på en politisk karta inte har samma färg", sa Riedel-Kruse.

Forskarna genererade många olika mönster på detta sätt, inklusive ett som använde gränssnitt för att stava ut "U av A" för University of Arizona.

De idéer som föreslås av tidningen kan i slutändan leda till praktiska tillämpningar.

Forskare kan skapa mönstrade biomaterial - som är gjorda av levande varelser och kan brytas ned snabbare än syntetiska material som plast - med önskade egenskaper. De kan till exempel skapa ett material med ett specifikt mönster som kan styra hur lätt vätska flyter över materialets yta.

"Med hjälp av logiken i denna forskning kan formen, strukturen, elasticiteten och till och med hur vätskan reagerar - går in i materialet eller stöts bort - kontrolleras," sa Riedel-Kruse. "Eller överväg mikrobiella biofabriker för att producera läkemedel och andra kemikalier. Vi skulle kunna kontrollera var olika bakterier placeras i förhållande till varandra för att utföra olika delar av en komplex reaktion."

Det faktum att endast fyra vidhäftningar krävs för att skapa praktiskt taget alla möjliga kakelmönster ger också nya perspektiv på hur komplext flercelligt liv kan ha utvecklats på jorden från encelligt liv.

"Fyndet att fyra olika vidhäftningar är allt som krävs för att skapa mycket olika kakelmönster i livet tyder på att när tillräckligt många limkomponenter var tillgängliga, kan utvecklingsbiologi generera många nya former," sa Riedel-Kruse.