Uma equipe de pesquisadores do EMBL expandiu a teoria seminal de Alan Turing sobre como os padrões são criados em sistemas biológicos. Este trabalho, que foi parcialmente feito no Center for Genomic Regulation (CRG), pode responder se os padrões da natureza são governados pelo modelo matemático de Turing e pode ter aplicações na engenharia de tecidos. Seus resultados foram publicados em 20 de junho em Revisão Física X .

Alan Turing procurou explicar como os padrões na natureza surgem com sua teoria de 1952 sobre morfogênese. As listras de uma zebra, o arranjo dos dedos e as espirais radiais na cabeça de um girassol, ele propôs, são todas determinadas por meio de uma interação única entre moléculas que se espalham pelo espaço e interagem quimicamente umas com as outras. A famosa teoria de Turing pode ser aplicada a vários campos, da biologia à astrofísica.

Muitos padrões biológicos foram propostos para surgirem de acordo com as regras de Turing, mas os cientistas ainda não foram capazes de fornecer uma prova definitiva de que esses padrões biológicos são governados pela teoria de Turing. A análise teórica também parecia prever que os sistemas de Turing são intrinsecamente muito frágeis, improvável para um mecanismo que governa os padrões da natureza.

Indo além da teoria de Turing

Xavier Diego, James Sharpe e colegas do novo site da EMBL em Barcelona analisaram evidências computacionais de que os sistemas de Turing podem ser muito mais flexíveis do que se pensava anteriormente. Seguindo esta dica, os cientistas, sediados no CRG e agora estão no EMBL, expandiu a teoria original de Turing usando a teoria dos grafos, um ramo da matemática que estuda as propriedades das redes e torna mais fácil trabalhar com complexos, sistemas realistas. Isso levou à percepção de que a topologia de rede, a estrutura do feedback entre os componentes das redes, é o que determina muitas propriedades fundamentais de um sistema de Turing. Sua nova teoria topológica fornece uma visão unificadora de muitas propriedades cruciais para sistemas de Turing que anteriormente não eram bem compreendidos e define explicitamente o que é necessário para fazer um sistema de Turing bem-sucedido.

Um sistema de Turing consiste em um ativador que deve se difundir em uma taxa muito mais lenta do que um inibidor para produzir um padrão. A maioria dos modelos de Turing requer um nível de ajuste fino de parâmetro que os impede de ser um mecanismo robusto para qualquer processo de padronização real. "Aprendemos que estudar um sistema de Turing através das lentes topológicas realmente simplifica a análise. Por exemplo, entender a fonte das restrições de difusão torna-se simples, e mais importante, podemos ver facilmente quais modificações são necessárias para relaxar essas restrições, "explica Xavier Diego, primeiro autor do artigo.

"Nossa abordagem pode ser aplicada a sistemas gerais de Turing, e as propriedades serão verdadeiras para redes com qualquer número de componentes. Agora podemos prever se a atividade em dois nós da rede está dentro ou fora de fase, e também descobrimos quais mudanças são necessárias para mudar isso. Isso nos permite construir redes que fazem com que qualquer par de substâncias desejado se sobreponha no espaço, que poderia ter aplicações interessantes na engenharia de tecidos. "

Hieróglifos de Turing para grupos experimentais

Os pesquisadores também fornecem um método pictórico que permite aos pesquisadores analisar facilmente as redes existentes ou criar novos projetos de rede. "Nós os chamamos de 'hieróglifos de Turing' no laboratório, "diz o líder do grupo EMBL Barcelona, ​​James Sharpe, quem liderou o trabalho. "Usando esses hieróglifos, esperamos que nossos métodos sejam adotados tanto por teóricos quanto por grupos experimentais que estão tentando implementar redes de Turing em células biológicas. "

Essa teoria expandida fornece aos grupos de pesquisa experimental uma nova abordagem para fazer as células biológicas se desenvolverem em padrões no laboratório. Se os grupos experimentais forem bem-sucedidos nisso, as questões sobre se a teoria da morfogênese de Turing se aplica a sistemas biológicos serão finalmente respondidas.