Математическая теория Алана Тьюринга объясняет формирование пальцев
Исследователи из лаборатории мультиклеточной системной биологии CRG под руководством профессора Джеймса Шарпа подтвердили, что пальцы рук и ног формируются по механизму, предложенному Аланом Тьюрингом в 1952 году.
Теория Тьюринга о паттернах
- В своей единственной работе по математической биологии Тьюринг показал, что система всего из двух молекул может спонтанно создавать повторяющиеся пространственные узоры (полосатые или пятнистые) при условии их диффузии и химического взаимодействия.
- Хотя эта теория принята для объяснения простых паттернов (полосы зебры, гребни на дюнах), в эмбриологии её десятилетиями не принимали как объяснение формирования сложных структур, таких как пальцы.
Экспериментальное подтверждение
- Используя подход системной биологии (эксперименты + компьютерное моделирование), учёные выявили два ключевых сигнальных пути с необходимыми паттернами активности: BMP и WNT.
- Минимальная математическая модель показала, что эти пути связаны через недиффундирующую молекулу — фактор транскрипции Sox9.
- Вычислительные предсказания об эффекте ингибирования этих путей были экспериментально подтверждены на культуре ткани зачатка конечности в чашке Петри — наблюдались предсказанные изменения в паттерне пальцев.
Значение открытия
- Развитие органов: Результат бросает вызов доминирующей теории позиционной информации Льюиса Уолперта, предполагая, что локальные механизмы самоорганизации могут играть гораздо более важную роль в органогенезе.
- Регенеративная медицина: Понимание мультиклеточной организации необходимо для разработки стратегий восстановления тканей и создания искусственных органов.
- Объяснение патологий: Результаты объясняют, почему полидактилия (лишние пальцы) — частый врождённый дефект: системы Тьюринга математически менее точно регулируют количество «полос» (пальцев), чем альтернативные модели.
Исследование связывает два крупных достижения Тьюринга: его теорию морфогенеза и основы компьютерного моделирования, которые потребовались для её подтверждения 62 года спустя.