Ein Team von Forschern am EMBL hat die grundlegende Theorie von Alan Turing über die Entstehung von Mustern in biologischen Systemen erweitert. Diese Arbeit, die zum Teil am Center for Genomic Regulation (CRG) durchgeführt wurde, kann beantworten, ob die Muster der Natur durch das mathematische Modell von Turing bestimmt werden und möglicherweise Anwendungen im Tissue Engineering haben. Ihre Ergebnisse wurden am 20. Juni in Physical Review X veröffentlicht.



Alan Turing versuchte mit seiner Theorie der Morphogenese von 1952 zu erklären, wie Muster in der Natur entstehen. Die Streifen eines Zebras, die Anordnung der Finger und die Radialwindungen im Kopf einer Sonnenblume, so schlug er vor, werden alle durch eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Molekülen bestimmt, die sich im Raum ausbreiten und chemisch miteinander interagieren. Turings berühmte Theorie kann auf verschiedene Gebiete angewendet werden, von der Biologie bis zur Astrophysik. Es wurde vorgeschlagen, dass viele biologische Muster nach den Regeln von Turing entstehen, aber die Wissenschaftler konnten noch nicht den endgültigen Beweis dafür liefern, dass diese biologischen Muster von Turings Theorie bestimmt werden.

Über Turings Theorie hinaus
Xavier Diego, James Sharpe und Kollegen vom neuen EMBL-Standort in Barcelona analysierten die Beweise, dass Turing-Systeme wesentlich flexibler sein können als bisher angenommen. Diesem Hinweis folgend, erweiterten die Wissenschaftler am CRG, die jetzt am EMBL arbeiten, die ursprüngliche Theorie von Turing mit der Graphentheorie: Ein Zweig der Mathematik, der die Eigenschaften von Netzwerken untersucht und die Arbeit mit komplexen, realistischen Systemen erleichtert.



Dies führte zu der Erkenntnis, dass die Netzwerktopologie - die Struktur der Rückkopplung zwischen den Komponenten des Netzwerks - viele grundlegende Eigenschaften eines Turing-Systems bestimmt. Ihre neue topologische Theorie bietet einen einheitlichen Überblick über viele wichtige Eigenschaften von Turing-Systemen, die zuvor nicht gut verstanden wurden, und definiert explizit, was für ein erfolgreiches Turing-System erforderlich ist. Theoretische Analysen schienen auch vorherzusagen, dass Turing-Systeme an sich sehr fragil sind, was für einen Mechanismus, der die Muster in der Natur steuert, unwahrscheinlich ist. "Unser Ansatz kann auf allgemeine Turing-Systeme angewendet werden, und die Eigenschaften gelten für Netzwerke mit einer beliebigen Anzahl von Komponenten. Wir können jetzt vorhersagen, ob die Aktivität in zwei Knoten im Netzwerk in Phase ist oder nicht, und wir haben auch herausgefunden Diese Änderungen sind notwendig, um dies umzuschalten. Dies ermöglicht es uns, Netzwerke aufzubauen, die jedes gewünschte Stoffpaar im Raum überlappen, was interessante Anwendungen im Tissue Engineering haben kann. "

Ein Turing-System besteht aus einem Aktivator, der zur Erzeugung eines Musters viel langsamer diffundieren muss als ein Inhibitor. Die Mehrheit der Turing-Modelle erfordert eine gewisse Feinabstimmung der Parameter, die verhindert, dass sie ein robuster Mechanismus für echte Musterprozesse sind. "Wir haben gelernt, dass das Studium eines Turing-Systems durch die topologische Linse die Analyse wirklich vereinfacht. Zum Beispiel wird das Verständnis der Quelle der Diffusionsbeschränkungen unkompliziert, und was noch wichtiger ist, wir können leicht erkennen, welche Änderungen erforderlich sind, um diese Beschränkungen zu lockern", erklärt Xavier Diego, erster Autor der Zeitung.



Alan Turing versuchte mit seiner Theorie der Morphogenese von 1952 zu erklären, wie Muster in der Natur entstehen. Die Streifen eines Zebras, die Anordnung der Finger und die Radialwindungen im Kopf einer Sonnenblume, so schlug er vor, werden alle durch eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Molekülen bestimmt, die sich im Raum ausbreiten und chemisch miteinander interagieren. Turings berühmte Theorie kann auf verschiedene Gebiete angewendet werden, von der Biologie bis zur Astrophysik. Alan Turing versuchte mit seiner Theorie der Morphogenese von 1952 zu erklären, wie Muster in der Natur entstehen. Die Streifen eines Zebras, die Anordnung der Finger und die Radialwindungen im Kopf einer Sonnenblume, so schlug er vor, werden alle durch eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Molekülen bestimmt, die sich im Raum ausbreiten und chemisch miteinander interagieren. Turings berühmte Theorie kann auf verschiedene Gebiete angewendet werden, von der Biologie bis zur Astrophysik. Alan Turing versuchte mit seiner Theorie der Morphogenese von 1952 zu erklären, wie Muster in der Natur entstehen. Die Streifen eines Zebras, die Anordnung der Finger und die Radialwindungen im Kopf einer Sonnenblume, so schlug er vor, werden alle durch eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Molekülen bestimmt, die sich im Raum ausbreiten und chemisch miteinander interagieren. Turings berühmte Theorie kann auf verschiedene Gebiete angewendet werden, von der Biologie bis zur Astrophysik..