Un team di ricercatori dell'EMBL ha ampliato la teoria seminale di Alan Turing su come vengono creati i modelli nei sistemi biologici. Questo lavoro, che è stato in parte svolto presso il Center for Genomic Regulation (CRG), può rispondere se i modelli della natura sono governati dal modello matematico di Turing e potrebbero avere applicazioni nell'ingegneria dei tessuti. I loro risultati sono stati pubblicati il ​​20 giugno in Revisione fisica X .

Alan Turing ha cercato di spiegare come sorgono i modelli in natura con la sua teoria del 1952 sulla morfogenesi. Le strisce di una zebra, la disposizione delle dita e le spire radiali nella testa di un girasole, lui propose, sono tutti determinati attraverso un'interazione unica tra molecole che si diffondono nello spazio e interagiscono chimicamente tra loro. La famosa teoria di Turing può essere applicata a vari campi, dalla biologia all'astrofisica.

Molti modelli biologici sono stati proposti per sorgere secondo le regole di Turing, ma gli scienziati non sono ancora stati in grado di fornire una prova definitiva che questi modelli biologici siano governati dalla teoria di Turing. L'analisi teorica sembrava anche prevedere che i sistemi di Turing sono intrinsecamente molto fragili, improbabile per un meccanismo che governa i modelli in natura.

Andare oltre la teoria di Turing

Saverio Diego, James Sharpe e colleghi del nuovo sito dell'EMBL a Barcellona hanno analizzato le prove computazionali che i sistemi di Turing possono essere molto più flessibili di quanto si pensasse in precedenza. Seguendo questo suggerimento, Gli scienziati, con sede presso la CRG e ora sono presso EMBL, ampliato la teoria originale di Turing utilizzando la teoria dei grafi, una branca della matematica che studia le proprietà delle reti e rende più facile lavorare con complessi, sistemi realistici. Ciò ha portato alla realizzazione che la topologia di rete, la struttura del feedback tra i componenti delle reti, è ciò che determina molte proprietà fondamentali di un sistema di Turing. La loro nuova teoria topologica fornisce una visione unificante di molte proprietà cruciali per i sistemi di Turing che in precedenza non erano ben comprese e definisce esplicitamente ciò che è necessario per realizzare un sistema di Turing di successo.

Un sistema di Turing consiste in un attivatore che deve diffondere a una velocità molto più lenta di un inibitore per produrre un pattern. La maggior parte dei modelli di Turing richiede un livello di regolazione fine dei parametri che impedisce loro di essere un meccanismo robusto per qualsiasi processo di patterning reale. "Abbiamo imparato che studiare un sistema di Turing attraverso la lente topologica semplifica davvero l'analisi. Ad esempio, comprendere la fonte delle restrizioni di diffusione diventa semplice, e, cosa più importante, possiamo facilmente vedere quali modifiche sono necessarie per allentare queste restrizioni, " spiega Saverio Diego, primo autore del saggio.

"Il nostro approccio può essere applicato ai sistemi Turing generali, e le proprietà saranno vere per reti con qualsiasi numero di componenti. Ora possiamo prevedere se l'attività in due nodi della rete è in o fuori fase, e abbiamo anche scoperto quali modifiche sono necessarie per cambiare questa situazione. Questo ci permette di costruire reti che facciano sovrapporre nello spazio qualsiasi coppia di sostanze desiderata, che potrebbe avere interessanti applicazioni nell'ingegneria dei tessuti".

Geroglifici di Turing per gruppi sperimentali

I ricercatori forniscono anche un metodo pittorico che consente ai ricercatori di analizzare facilmente le reti esistenti o di elaborare nuovi progetti di rete. "Li chiamiamo 'geroglifici di Turing' in laboratorio, ", afferma il leader del gruppo EMBL Barcelona James Sharpe, che ha condotto i lavori. "Utilizzando questi geroglifici, speriamo che i nostri metodi vengano adottati sia dai teorici che dai gruppi sperimentali che stanno cercando di implementare le reti di Turing nelle cellule biologiche".

Questa teoria ampliata fornisce ai gruppi di ricerca sperimentale un nuovo approccio per far sì che le cellule biologiche si sviluppino secondo schemi in laboratorio. Se i gruppi sperimentali hanno successo in questo, le domande sull'applicabilità della teoria della morfogenesi di Turing ai sistemi biologici avranno finalmente una risposta.