Тьюринг был прав: два белка подтверждают предсказание, сделанное десятилетия назад

В 1952 году Алан Тьюринг, отец современной информатики, предложил биологическую модель, объясняющую формирование узоров в природе — от крыльев бабочки до полос зебры. Согласно ей, два химических вещества — активатор и ингибитор — взаимодействуют, создавая пространственные структуры. Это было инновационное предположение, сделанное до открытия двойной спирали ДНК.

Исследование Гарварда показало, что два белка — Nodal и Lefty, регулирующие асимметрию у позвоночных и развитие клеток-предшественников внутренних органов, соответствуют модели, описанной Тьюрингом шесть десятилетий назад. В статье, опубликованной онлайн в Science 12 апреля, Александр Шиер и его коллеги продемонстрировали ключевой аспект модели Тьюринга: белок-активатор Nodal перемещается по ткани гораздо медленнее, чем его ингибитор Lefty.

«Это одно из центральных предсказаний модели Тьюринга, — сказал Шиер. — Так что теперь мы можем утверждать, что Nodal и Lefty — наглядный пример работы этой модели in vivo».

Чтобы проверить биофизические свойства белков, команда создала их модифицированные версии, флуоресцирующие под лазерным светом. Наблюдения за эмбрионами рыбки данио-рерио показали, что Lefty распространяется дальше, чем Nodal.

Для измерения скорости диффузии учёные использовали метод фотообесцвечивания, чтобы «стереть» область свечения, а затем замерили время, за которое белки диффундируют в обесцвеченное пространство. Результаты совпали с предсказанием модели Тьюринга.

В отдельном эксперименте исследователи проверили, может ли разная стабильность белков объяснить разницу в их распространении. С помощью лазера они меняли цвет флуоресценции с зелёного на красный и измеряли время исчезновения красного свечения. Оказалось, что Nodal и Lefty имеют схожую стабильность.

«Это говорит нам о том, что разница заключается именно в подвижности, а не в стабильности этих двух молекул, — пояснил Шиер. — Это важно, потому что в моделях, предложенных Тьюрингом, различной является именно диффузия».

Шиер отметил гениальность Тьюринга, который предложил чисто математическую модель, не зная ни одной конкретной молекулы, регулирующей развитие. Уравнение Тьюринга просто, но обладает определённой красотой и может быть применено ко многим биологическим системам, создающим удивительные узоры.

В будущем Шиер надеется понять механизм, лежащий в основе разной подвижности Nodal и Lefty. Эти белки схожи по размеру и структуре, но, вероятно, по-разному взаимодействуют с другими молекулами, что влияет на их движение. Этот вопрос остаётся для дальнейших исследований.