Een team van onderzoekers van EMBL heeft de baanbrekende theorie van Alan Turing over hoe patronen in biologische systemen worden gecreëerd, uitgebreid. Dit werk, die deels is gedaan bij het Centre for Genomic Regulation (CRG), kan beantwoorden of de patronen van de natuur worden bepaald door het wiskundige model van Turing en toepassingen kunnen hebben in weefseltechnologie. Hun resultaten zijn op 20 juni gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .

Alan Turing probeerde met zijn theorie over morfogenese uit 1952 te verklaren hoe patronen in de natuur ontstaan. De strepen van een zebra, de opstelling van vingers en de radiale kransen in de kop van een zonnebloem, hij stelde voor, worden allemaal bepaald door een unieke interactie tussen moleculen die zich door de ruimte verspreiden en chemisch met elkaar in wisselwerking staan. De beroemde theorie van Turing kan op verschillende gebieden worden toegepast, van biologie tot astrofysica.

Er is voorgesteld dat veel biologische patronen ontstaan ​​volgens de regels van Turing, maar wetenschappers hebben nog geen definitief bewijs kunnen leveren dat deze biologische patronen worden bepaald door de theorie van Turing. Theoretische analyse leek ook te voorspellen dat Turing-systemen intrinsiek erg kwetsbaar zijn, onwaarschijnlijk voor een mechanisme dat patronen in de natuur regelt.

Verder gaan dan de theorie van Turing

Xavier Diego, James Sharpe en collega's van de nieuwe site van EMBL in Barcelona analyseerden computationeel bewijs dat Turing-systemen veel flexibeler kunnen zijn dan eerder werd gedacht. Naar aanleiding van deze aanwijzing, de wetenschappers, gevestigd bij het CRG en nu bij EMBL, breidde Turing's originele theorie uit met behulp van grafentheorie, een tak van de wiskunde die de eigenschappen van netwerken bestudeert en het werken met complexe, realistische systemen. Dit leidde tot het besef dat netwerktopologie, de structuur van de terugkoppeling tussen de netwerkcomponenten, is wat veel fundamentele eigenschappen van een Turing-systeem bepaalt. Hun nieuwe topologische theorie biedt een verenigend beeld van veel cruciale eigenschappen voor Turing-systemen die voorheen niet goed werden begrepen en definieert expliciet wat nodig is om een ​​succesvol Turing-systeem te maken.

Een Turing-systeem bestaat uit een activator die veel langzamer moet diffunderen dan een remmer om een ​​patroon te produceren. De meeste Turing-modellen vereisen een niveau van fijnafstemming van de parameters dat voorkomt dat ze een robuust mechanisme zijn voor een echt patroonproces. "We hebben geleerd dat het bestuderen van een Turing-systeem door de topologische lens de analyse echt vereenvoudigt. het begrijpen van de bron van de diffusiebeperkingen wordt eenvoudig, en nog belangrijker, we kunnen gemakkelijk zien welke aanpassingen nodig zijn om deze beperkingen te versoepelen, " legt Xavier Diego uit, eerste auteur van het artikel.

"Onze aanpak kan worden toegepast op algemene Turing-systemen, en de eigenschappen gelden voor netwerken met een willekeurig aantal componenten. We kunnen nu voorspellen of de activiteit in twee knooppunten in het netwerk in of uit fase is, en we zijn er ook achter gekomen welke veranderingen nodig zijn om dit om te draaien. Hierdoor kunnen we netwerken bouwen die elk gewenst paar stoffen elkaar in de ruimte laten overlappen, die interessante toepassingen kunnen hebben in tissue engineering."

Turinghiërogliefen voor experimentele groepen

De onderzoekers bieden ook een picturale methode waarmee onderzoekers eenvoudig bestaande netwerken kunnen analyseren of nieuwe netwerkontwerpen kunnen bedenken. "We noemen ze 'Turing hiërogliefen' in het lab, " zegt EMBL Barcelona-groepsleider James Sharpe, die het werk leidde. "Door deze hiërogliefen te gebruiken, we hopen dat onze methoden zullen worden overgenomen door zowel theoretici als door experimentele groepen die proberen Turing-netwerken in biologische cellen te implementeren."

Deze uitgebreide theorie biedt experimentele onderzoeksgroepen een nieuwe benadering om biologische cellen in patronen in het laboratorium te laten ontwikkelen. Als experimentele groepen hierin slagen, de vragen of Turing's theorie van morfogenese van toepassing is op biologische systemen zullen eindelijk worden beantwoord.