Ett team av forskare vid EMBL har utökat Alan Turings teori om hur mönster skapas i biologiska system. Detta jobb, som delvis gjordes vid Center for Genomic Regulation (CRG), kan svara på om naturens mönster styrs av Turings matematiska modell och kan ha tillämpningar inom vävnadsteknik. Deras resultat har publicerats den 20 juni i Fysisk granskning X .

Alan Turing försökte förklara hur mönster i naturen uppstår med sin 1952 -teori om morfogenes. Ränderna på en zebra, arrangemanget av fingrar och de radiella virvlarna i huvudet på en solros, han friade, är alla bestämda genom en unik interaktion mellan molekyler som sprider sig genom rymden och kemiskt interagerar med varandra. Turings berömda teori kan tillämpas på olika områden, från biologi till astrofysik.

Många biologiska mönster har föreslagits uppstå enligt Turings regler, men forskare har ännu inte kunnat ge ett definitivt bevis på att dessa biologiska mönster styrs av Turings teori. Teoretisk analys tycktes också förutsäga att Turing -system i sig är mycket sköra, osannolikt för en mekanism som styr mönster i naturen.

Går utöver Turings teori

Xavier Diego, James Sharpe och kollegor från EMBL:s nya webbplats i Barcelona analyserade beräkningsbevis för att Turing -system kan vara mycket mer flexibla än man tidigare trott. Efter denna ledtråd, forskarna, baserat på CRG och nu på EMBL, utökade Turings ursprungliga teori genom att använda grafteori, en gren av matematik som studerar nätverkets egenskaper och gör det lättare att arbeta med komplexa, realistiska system. Detta ledde till insikten att nätverkstopologi, återkopplingen mellan nätverkets komponenter, är det som avgör många grundläggande egenskaper hos ett Turing -system. Deras nya topologiska teori ger en samlad bild av många viktiga egenskaper för Turing -system som tidigare inte var väl förstådda och definierar uttryckligen vad som krävs för att skapa ett framgångsrikt Turing -system.

Ett Turing -system består av en aktivator som måste diffundera mycket långsammare än en inhibitor för att producera ett mönster. Majoriteten av Turing-modellerna kräver en finjustering av parametrar som hindrar dem från att vara en robust mekanism för alla verkliga mönsterprocesser. "Vi lärde oss att studien av ett Turing -system genom den topologiska linsen verkligen förenklar analysen. att förstå källan till diffusionsrestriktionerna blir enkelt, och ännu viktigare, vi kan enkelt se vilka ändringar som behövs för att lätta på dessa begränsningar, "förklarar Xavier Diego, tidningens första författare.

"Vår strategi kan tillämpas på allmänna Turing -system, och egenskaperna gäller för nätverk med valfritt antal komponenter. Vi kan nu förutsäga om aktiviteten i två noder i nätverket är i eller ur fas, och vi fick också reda på vilka förändringar som är nödvändiga för att ändra det här. Detta gör att vi kan bygga nätverk som gör att alla önskade par ämnen överlappar varandra i rymden, som kan ha intressanta tillämpningar inom vävnadsteknik. "

Turing hieroglyfer för experimentella grupper

Forskarna tillhandahåller också en bildmetod som gör det möjligt för forskare att enkelt analysera befintliga nätverk eller komma med nya nätverksdesigner. "Vi kallar dem" Turing -hieroglyfer "i labbet, "säger EMBL Barcelona gruppledare James Sharpe, som ledde arbetet. "Genom att använda dessa hieroglyfer, vi hoppas att våra metoder kommer att antas av både teoretiker och av experimentella grupper som försöker implementera Turing -nätverk i biologiska celler. "

Denna utökade teori ger experimentella forskargrupper ett nytt tillvägagångssätt för att få biologiska celler att utvecklas i mönster i labbet. Om experimentgrupper lyckas med detta, frågorna om Turings teori om morfogenes gäller biologiska system kommer äntligen att besvaras.