Un team di ricercatori dell’EMBL ha ampliato la teoria seminale di Alan Turing su come i modelli sono creati nei sistemi biologici. Questo lavoro, che è stato in parte svolto presso il Center for Genomic Regulation (CRG), può rispondere se gli schemi 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 su Physical Review X.



Alan Turing ha cercato di spiegare come i modelli in natura sorgono con la sua teoria del 1952 sulla morfogenesi. Le strisce di una zebra, la disposizione delle dita e le spirali radiali nella testa di un girasole, ha proposto, sono tutte determinate attraverso un’interazione unica tra le molecole che si diffondono nello spazio e interagiscono chimicamente l’una con l’altra. La famosa teoria di Turing può essere applicata a vari campi, dalla biologia all’astrofisica. Molti modelli biologici sono stati proposti per nascere secondo le regole di Turing, ma gli scienziati non sono ancora stati in grado di fornire una prova definitiva che questi schemi biologici sono governati dalla teoria di Turing.

Andando oltre la teoria di Turing
Xavier Diego, James Sharpe e colleghi del nuovo sito EMBL di 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, che erano basati sul CRG e ora sono all’EMBL, hanno ampliato la teoria originale di Turing usando la teoria dei grafi: una branca della matematica che studia le proprietà delle reti e rende più facile lavorare con sistemi complessi e realistici.



Ciò ha portato alla realizzazione che la topologia di rete - la struttura del feedback tra i componenti della rete - 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 compresi e definisce esplicitamente ciò che è necessario per realizzare un sistema di Turing di successo. L’analisi teorica sembrava anche predire che i sistemi di Turing sono intrinsecamente molto fragili, improbabile per un meccanismo che governa gli schemi in natura. "Il nostro approccio può essere applicato ai sistemi generali di Turing e le proprietà saranno valide per le reti con qualsiasi numero di componenti. Ora possiamo prevedere se l’attività in due nodi della rete è in fase o fuori fase e abbiamo anche scoperto quali cambiamenti sono necessari per cambiare questo intorno. Questo ci permette di costruire reti che fanno sovrapporre nello spazio qualsiasi coppia desiderata di sostanze, che potrebbero avere interessanti applicazioni nell’ingegneria dei tessuti ".

Un sistema di Turing consiste in un attivatore che deve diffondere a un ritmo molto più lento di un inibitore per produrre un pattern. La maggior parte dei modelli di Turing richiede un livello di regolazione dei parametri che impedisce loro di essere un meccanismo affidabile per qualsiasi processo di modellazione reale. "Abbiamo imparato che studiare un sistema di Turing attraverso l’obiettivo topologico 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 Xavier Diego, primo autore dell’articolo.



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