Как возникают узоры в природе и вдохновляют науку и создание материалов

Новое исследование Университета Аризоны использовало бактерии, чтобы понять формирование мозаичных узоров (tiling patterns), состоящих из «плиток» и «швов» (интерфейсов) между ними. Такие узоры распространены в природе: окраска жирафа, жилки на крыле мухи или мозаика клеток в сетчатке человека.

Большинство исследований фокусировалось на биохимических механизмах формирования узоров. Данная работа, опубликованная в Nature, проливает свет на роль механических взаимодействий.

Эксперимент с бактериями

Учёные модифицировали поверхность бактериальных клеток, создав различные адгезивные (липкие) молекулы. Это позволило разным типам бактерий избирательно слипаться друг с другом.

Когда модифицированные бактерии помещали в чашку Петри, они начинали расти навстречу друг другу. При встрече двух разных типов бактерий между ними формировался интерфейс (если их поверхностные адгезивные молекулы были комплементарны) или не формировался. Интерфейсы достигали 0,5 мм в ширину и 3–10 мм в длину, содержа миллионы бактерий. Множество таких интерфейсов создавало сложные мозаичные узоры, форма которых зависела от начального расположения бактерий.

Логика узоров и «теорема о четырёх красках»

Исследователи выяснили, что для создания любого возможного мозаичного узора достаточно всего четырёх разных адгезивных молекул.

«Мы доказали это математически с помощью знаменитой теоремы о четырёх красках, которая утверждает, что для раскраски любой карты так, чтобы соседние страны не совпадали по цвету, достаточно четырёх цветов», — пояснил старший автор работы Ингмар Ридель-Крузе.

На практике команда создала множество узоров, включая интерфейсы, образующие надпись «U of A» (Университет Аризоны).

Значение и приложения

Исследование открывает пути для практического применения:

1. Создание программируемых биоматериалов (из живых компонентов), которые разлагаются быстрее синтетических (например, пластика). Контролируя узор, можно задавать свойства материала: форму, эластичность, смачиваемость (отталкивание или впитывание жидкости).
2. Развитие микробных биореакторов для производства лекарств или химикатов. Размещая разные бактерии в определённом порядке относительно друг друга, можно управлять сложными многоступенчатыми реакциями.
3. Понимание эволюции многоклеточной жизни. Тот факт, что для огромного разнообразия узоров достаточно всего четырёх типов адгезии, даёт новую перспективу на то, как сложная многоклеточная жизнь могла эволюционировать из одноклеточной. Достаточное количество адгезивных компонентов могло позволить биологии развития генерировать множество новых форм.