Un equipo de investigadores de EMBL ha ampliado la teoría seminal de Alan Turing sobre cómo se crean los patrones en los sistemas biológicos. Este trabajo, que se realizó en parte en el Centro de Regulación Genómica CRG, puede responder si los patrones de la naturaleza se rigen por las matemáticas de Turingmodelo y podría tener aplicaciones en ingeniería de tejidos. Sus resultados se publicaron el 20 de junio en Revisión física X .
Alan Turing buscó explicar cómo surgen los patrones en la naturaleza con su teoría de la morfogénesis de 1952. Las rayas de una cebra, la disposición de los dedos y las espirales radiales en la cabeza de un girasol, propuso, se determinan a través de una interacción únicaentre moléculas que se extienden por el espacio e interactúan químicamente entre sí. La famosa teoría de Turing se puede aplicar a varios campos, desde la biología hasta la astrofísica.
Se ha propuesto que surjan muchos patrones biológicos de acuerdo con las reglas de Turing, pero los científicos aún no han podido proporcionar una prueba definitiva de que estos patrones biológicos se rigen por la teoría de Turing. El análisis teórico también parecía predecir que los sistemas de Turing son intrínsecamentemuy frágil, poco probable para un mecanismo que gobierna patrones en la naturaleza.
yendo más allá de la teoría de Turing
Xavier Diego, James Sharpe y sus colegas del nuevo sitio de EMBL en Barcelona analizaron la evidencia computacional de que los sistemas de Turing pueden ser mucho más flexibles de lo que se pensaba anteriormente. Siguiendo esta pista, los científicos, que estaban basados en el CRG y ahora están en EMBL, se expandieronLa teoría original de Turing mediante el uso de la teoría de grafos: una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de las redes y hace que sea más fácil trabajar con sistemas complejos y realistas. Esto llevó a la comprensión de que la topología de la red -la estructura de la retroalimentación entre los componentes de las redes-es lo que determina muchas propiedades fundamentales de un sistema de Turing. Su nueva teoría topológica proporciona una visión unificadora de muchas propiedades cruciales para los sistemas de Turing que anteriormente no se entendían bien y define explícitamente lo que se requiere para hacer un sistema de Turing exitoso.
Un sistema Turing consiste en un activador que debe difundirse a una velocidad mucho más lenta que un inhibidor para producir un patrón. La mayoría de los modelos Turing requieren un nivel de ajuste de parámetros que les impide ser un mecanismo robusto para cualquier patrón real"Aprendimos que estudiar un sistema de Turing a través de la lente topológica realmente simplifica el análisis. Por ejemplo, comprender la fuente de las restricciones de difusión se vuelve sencillo y, lo que es más importante, podemos ver fácilmente qué modificaciones son necesarias para relajar estas restricciones".explica Xavier Diego, primer autor del artículo.
"Nuestro enfoque se puede aplicar a los sistemas generales de Turing, y las propiedades serán ciertas para redes con cualquier número de componentes. Ahora podemos predecir si la actividad en dos nodos en la red está dentro o fuera de fase, y tambiéndescubrió qué cambios son necesarios para cambiar esto. Esto nos permite construir redes que hacen que cualquier par de sustancias deseadas se superpongan en el espacio, lo que podría tener aplicaciones interesantes en la ingeniería de tejidos ".
jeroglíficos de Turing para grupos experimentales
Los investigadores también proporcionan un método pictórico que les permite analizar fácilmente las redes existentes o crear nuevos diseños de red. "Los llamamos 'jeroglíficos de Turing' en el laboratorio", dice James Sharpe, líder del grupo EMBL Barcelona, quien dirigió"Al usar estos jeroglíficos, esperamos que nuestros métodos sean adoptados tanto por teóricos como por grupos experimentales que intentan implementar redes de Turing en células biológicas".
Esta teoría ampliada proporciona a los grupos de investigación experimentales un nuevo enfoque para hacer que las células biológicas se desarrollen en patrones en el laboratorio. Si los grupos experimentales tienen éxito en esto, las preguntas sobre si la teoría de la morfogénesis de Turing se aplica a los sistemas biológicos finalmente serán respondidas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Laboratorio Europeo de Biología Molecular . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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