Bildandet av självorganiserande molekylära mönster i celler är en kritisk komponent i många biologiska processer. Forskare från Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har föreslagit en ny teori för att förklara hur sådana mönster uppstår i komplexa naturliga system.

Många biologiska processer är avgörande beroende av bildandet av ordnade fördelningar av specifika molekyler inom celler. Dessa mönster är självorganiserande strukturer som utvecklas på ett förutsägbart sätt i tid och rum. Det kanske mest kända exemplet på intracellulärt proteinmönster är det molekylära maskineriet som orkestrerar den regelbundna segregeringen av kompletta kromosomuppsättningar till de två dottercellerna under celldelning.

Den klassiska teorin om mönsterbildning bygger på kemiska system som är nära jämvikt. Men sådana tillstånd påträffas sällan i fysiska, kemiska eller biologiska system där självorganiserad mönstring vanligtvis observeras. I regel, dessa system har visat sig vara mycket långt ifrån jämvikt, ett tillstånd som upprätthålls av tillförsel av energi. De mekanismer som skapar och stabiliserar ordnade strukturer under dessa förhållanden är dåligt förstådda. LMU-fysikerna Erwin Frey och Jacob Halatek har nu introducerat ett nytt teoretiskt ramverk som kan redogöra för mönsterbildning i icke-jämviktssystem. Den nya teorin beskrivs i tidskriften Naturfysik .

Frey och Halatek fokuserade sin uppmärksamhet på dynamiska system som drivs av massbevarande interaktioner – dvs. kemiska reaktioner. I biologiska system, mönsterbildning yttrar sig främst i den dynamiska omfördelningen av specifika proteiner. I många av dessa system, dynamiken beror på förändringar i proteinmolekylernas konformationer som gör att de kan växla mellan ett membranbundet tillstånd och ett fritt spridande tillstånd i cellens lösliga fas. "Vad vi observerar som ett proteinmönster är vanligtvis ett specifikt rumsligt arrangemang, en ojämn densitet, av ett protein, på en membranyta, säger Halatek.

Mönsterbildning är resultatet av att fördelningen av ett givet protein mellan membranet och cytosolfasen ständigt förändras, även om dess totala koncentration i cellen förblir konstant. "Dynamiken i mönsterbildning i ett så komplext och utvidgat system som en biologisk cell är, dock, mycket svår att fånga, även i simuleringar, " säger Halatek. "Det är därför vi delade upp data som användes i våra simuleringar av mönsterbildning i stora system i ett gitter med mycket mindre fack, som är kopplade till varandra."

Den lokala tätheten av membranbundna och cytosoliska proteiner bestämmer den kemiska jämvikten i varje fack - så att förändringar i förhållandet mellan cytosoliska och membranbundna former av proteiner resulterar i en förskjutning av jämvikten. Halatek och Frey visade att mönsterbildning är en konsekvens av dessa förändringar i lokala kemiska jämvikter. "Omfördelningen av proteinerna drivs av diffusion. Diffusion i sig skulle så småningom leda till en homogen fördelning av alla proteinarter genom cellvolymen, " säger Halatek. Det är därför viktigt för mönsterbildningen att en diffusionsgradient upprätthålls i systemet, så att omfördelningar av proteinerna alltid är möjliga. Av denna anledning, mönsterbildning i biologiska system beror på enzymatiska reaktioner som förändrar konformationen av de berörda proteinerna, för att göra det möjligt för dem att binda till membranet, till exempel."

De två fysikerna tillämpade sin nya teori på Min-systemet - en uppsättning av tre proteiner som finns i den stavformade bakterien Escherichia coli, som interagerar för att generera ett självorganiserande mönster som bestämmer klyvningsplanet under celldelningen. De observerade en annan konsekvens av den dynamiska destabiliseringen av lokala jämvikter på grund av masstransport - uppkomsten av kemisk turbulens. "Dessa turbulenser, dock, inte resultera i den totala förlust av ordning som klassiska teorier antyder, " säger Frey. "I vårt konceptuella ramverk, precis motsatsen inträffar. När vi destabiliserar systemet, vi observerar att turbulensen utvecklas relativt snabbt. Men vid ytterligare störningar, systemet genomgår en övergång där det är långt ifrån jämvikt, men ändå tydligt ordnad och icke-turbulent." Frey och Halatek jämför denna typ av beteende med effekten av en pacemaker, som motverkar arytmier genom att applicera elektriska impulser för att återställa det normala mönstret för impulsledning. "Vår modell förklarar hur "pacemakers" kan uppstå genom självorganisering i icke-jämviktssystem, " säger Halatek. "Med andra ord, vi kan ge ett tydligt svar på frågan:Vilken del av 'jaget' är ansvarig för 'organisationen?' Den rollen utförs av de instabila lägena ('kontrolllägen') som ändrar positionen och stabiliteten för de lokala jämvikterna som driver systemets tidsutveckling."