Группа исследователей из EMBL расширила основополагающую теорию Алана Тьюринга о том, как создаются паттерны в биологических системах. Эта работа, частично выполненная в Центре геномной регуляции (CRG), может дать ответ на вопрос, управляются ли природные закономерности математической моделью Тьюринга и могут ли они найти применение в тканевой инженерии. Их результаты были опубликованы 20 июня в Physical Review X.
Алан Тьюринг стремился объяснить, как возникают закономерности в природе, с помощью своей теории морфогенеза 1952 года. Он предположил, что полосы зебры, расположение пальцев и радиальные завитки на головке подсолнуха определяются уникальным взаимодействием молекул, распространяющихся в пространстве и химически взаимодействующих друг с другом. Знаменитую теорию Тьюринга можно применять в различных областях, от биологии до астрофизики.
Было высказано предположение, что многие биологические паттерны возникают в соответствии с правилами Тьюринга, но ученые еще не смогли предоставить окончательное доказательство того, что эти биологические паттерны управляются теорией Тьюринга. Теоретический анализ также, казалось, предсказал, что системы Тьюринга по своей природе очень хрупкие, что маловероятно для механизма, управляющего закономерностями в природе.
Выйти за рамки теории Тьюринга
Ксавье Диего, Джеймс Шарп и их коллеги из нового сайта EMBL в Барселоне проанализировали вычислительные доказательства того, что системы Тьюринга могут быть гораздо более гибкими, чем считалось ранее. Следуя этой подсказке, ученые, работавшие в CRG, а теперь работающие в EMBL, расширили первоначальную теорию Тьюринга, используя теорию графов: раздел математики, изучающий свойства сетей и облегчающий работу со сложными реалистичными системами. Это привело к осознанию того, что топология сети - структура обратной связи между компонентами сети - определяет многие фундаментальные свойства системы Тьюринга. Их новая топологическая теория дает унифицированный взгляд на многие важные свойства систем Тьюринга, которые ранее не были хорошо изучены, и явно определяет, что требуется для создания успешной системы Тьюринга.
Система Тьюринга состоит из активатора, который должен диффундировать гораздо медленнее, чем ингибитор, чтобы создать паттерн. Большинство моделей Тьюринга требуют тонкой настройки параметров, что не позволяет им быть надежным механизмом для любого реального процесса формирования паттернов. «Мы узнали, что изучение системы Тьюринга через топологическую линзу действительно упрощает анализ. Например, понимание источника диффузионных ограничений становится простым, и, что более важно, мы можем легко увидеть, какие модификации необходимы для ослабления этих ограничений», - объясняет Ксавьер Диего, первый автор статьи.
Наш подход можно применить к общим системам Тьюринга, и свойства будут верны для сетей с любым количеством компонентов. Теперь мы можем предсказать, будет ли активность в двух узлах сети синфазной или противофазной, и мы также выяснили, какие изменения необходимы, чтобы переключить это. Это позволяет нам строить сети, которые заставляют любую желаемую пару веществ перекрываться в пространстве, что может иметь интересные применения в тканевой инженерии».
Иероглифы Тьюринга для экспериментальных групп
Исследователи также предлагают наглядный метод, который позволяет исследователям легко анализировать существующие сети или придумывать новые схемы сетей. «В лаборатории мы называем их «иероглифами Тьюринга», - говорит руководитель группы EMBL в Барселоне Джеймс Шарп, руководивший работой.«Используя эти иероглифы, мы надеемся, что наши методы будут приняты как теоретиками, так и экспериментальными группами, которые пытаются реализовать сети Тьюринга в биологических клетках».
Эта расширенная теория предоставляет экспериментальным исследовательским группам новый подход к тому, чтобы заставить биологические клетки развиваться по шаблону в лаборатории. Если экспериментальные группы преуспеют в этом, то, наконец, будут даны ответы на вопросы о том, применима ли теория морфогенеза Тьюринга к биологическим системам.