Une équipe de chercheurs de l’EMBL a élargi la théorie fondamentale d’Alan Turing sur la façon dont les modèles sont créés dans les systèmes biologiques. Ce travail, qui a été réalisé en partie au Centre de régulation génomique (CRG), pourrait déterminer si les modèles de la nature sont régis par le modèle mathématique de Turing et pourraient avoir des applications en génie tissulaire. Leurs résultats ont été publiés le 20 juin dans Physical Review X.
Alan Turing a cherché à expliquer comment les modèles dans la nature se produisent avec sa théorie de 1952 sur la morphogenèse. Les rayures d’un zèbre, la disposition des doigts et les verticilles radiaux dans la tête d’un tournesol, a-t-il proposé, sont tous déterminés par une interaction unique entre des molécules se propageant dans l’espace et interagissant chimiquement les unes avec les autres. La célèbre théorie de Turing peut être appliquée à divers domaines, de la biologie à l’astrophysique. De nombreux modèles biologiques ont été proposés pour apparaître selon les règles de Turing, mais les scientifiques n’ont pas encore été en mesure de fournir une preuve définitive que ces modèles biologiques sont régis par la théorie de Turing.
Aller au-delà de la théorie de Turing
Xavier Diego, James Sharpe et ses collègues du nouveau site de l’EMBL à Barcelone ont analysé les preuves informatiques que les systèmes de Turing peuvent être beaucoup plus flexibles qu’on ne le pensait. Suite à cet indice, les scientifiques, qui étaient basés au CRG et sont maintenant à l’EMBL, ont développé la théorie originale de Turing en utilisant la théorie des graphes: une branche des mathématiques qui étudie les propriétés des réseaux et facilite le travail avec des systèmes complexes et réalistes.
Cela a conduit à réaliser que la topologie du réseau - la structure de la rétroaction entre les composants des réseaux - est ce qui détermine de nombreuses propriétés fondamentales d’un système de Turing. Leur nouvelle théorie topologique fournit une vue unificatrice de nombreuses propriétés cruciales pour les systèmes de Turing qui n’étaient pas encore bien comprises et définit explicitement ce qui est nécessaire pour faire un système de Turing réussi. L’analyse théorique semble également prédire que les systèmes de Turing sont intrinsèquement très fragiles, peu probable pour un mécanisme qui régit les modèles dans la nature. "Notre approche peut être appliquée aux systèmes Turing généraux, et les propriétés seront vraies pour les réseaux avec un nombre quelconque de composants. Nous pouvons maintenant prédire si l’activité dans deux nœuds du réseau est en phase ou hors phase, et nous avons également découvert quels changements sont nécessaires pour inverser la tendance. Cela nous permet de construire des réseaux qui font chevaucher n’importe quelle paire de substances désirée dans l’espace, ce qui pourrait avoir des applications intéressantes en génie tissulaire. "
Un système de Turing se compose d’un activateur qui doit diffuser à un rythme beaucoup plus lent qu’un inhibiteur pour produire un motif. La majorité des modèles Turing nécessitent un niveau de réglage fin des paramètres qui les empêche d’être un mécanisme robuste pour tout processus de modélisation réel. "Nous avons appris que l’étude d’un système de Turing à travers la lentille topologique simplifie vraiment l’analyse. Par exemple, comprendre la source des restrictions de diffusion devient simple, et plus important encore, nous pouvons facilement voir quelles modifications sont nécessaires pour assouplir ces restrictions", explique Xavier Diego, premier auteur de l’article.
Alan Turing a cherché à expliquer comment les modèles dans la nature se produisent avec sa théorie de 1952 sur la morphogenèse. Les rayures d’un zèbre, la disposition des doigts et les verticilles radiaux dans la tête d’un tournesol, a-t-il proposé, sont tous déterminés par une interaction unique entre des molécules se propageant dans l’espace et interagissant chimiquement les unes avec les autres. La célèbre théorie de Turing peut être appliquée à divers domaines, de la biologie à l’astrophysique. Alan Turing a cherché à expliquer comment les modèles dans la nature se produisent avec sa théorie de 1952 sur la morphogenèse. Les rayures d’un zèbre, la disposition des doigts et les verticilles radiaux dans la tête d’un tournesol, a-t-il proposé, sont tous déterminés par une interaction unique entre des molécules se propageant dans l’espace et interagissant chimiquement les unes avec les autres. La célèbre théorie de Turing peut être appliquée à divers domaines, de la biologie à l’astrophysique. Alan Turing a cherché à expliquer comment les modèles dans la nature se produisent avec sa théorie de 1952 sur la morphogenèse. Les rayures d’un zèbre, la disposition des doigts et les verticilles radiaux dans la tête d’un tournesol, a-t-il proposé, sont tous déterminés par une interaction unique entre des molécules s’étalant dans l’espace et interagissant chimiquement les unes avec les autres. La célèbre théorie de Turing peut être appliquée à divers domaines, de la biologie à l’astrophysique..
