Modelli animali complessi: un nuovo studio potrebbe rispondere a questa domanda

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Il pesce scatola dal disegno sorprendente non manca di dettagli quando si tratta delle sue macchie esagonali e delle linee nette: i segni complessi sono così nitidi nella specie che persino i suoi ingegneri dell’Università del Colorado Boulder erano disorientati. Su come ottenere quell’aspetto distintivo.

Alan Turing, famoso matematico Ha inventato l’informatica moderna, proposero più di 70 anni fa che gli animali ottenessero i loro modelli producendo agenti chimici che si diffondessero attraverso il tessuto cutaneo, in modo simile a come fa la panna nel caffè. Le sostanze chimiche reagiscono mentre altri fattori inibiscono la loro attività, creando lo schema. Ma la teoria di Turing non spiegava come i modelli rimarrebbero specifici in specie come il pesce scatola ornato.

Un team di ingegneri dell’Università del Colorado Boulder ha scoperto come un meccanismo chiamato fotoforesi di diffusione può creare modelli nitidi in un nuovo studio pubblicato Mercoledì in Science Advances. Il processo di elettroforesi per diffusione descrive il movimento delle molecole sospese in un liquido in risposta a a Gradiente di concentrazione di una sostanza chimica separata, facendo sì che piccole molecole, in questo caso i cromatofori (cellule pigmentate), si concentrino e si aggreghino.

Quando gli scienziati calcolarono l’equazione di Turing, modificata per includere questo processo, le simulazioni che crearono mostrarono che il percorso delle particelle creava sempre linee larghe, a differenza dei punti vaghi e indeterminati che la sola teoria di Turing avrebbe creato.

“Ciò che ci ha incuriosito è stato il fatto che, se fosse diffuso, i modelli non dovrebbero essere così nitidi… e i colori non dovrebbero essere così sorprendenti”, ha detto il coautore dello studio. Ankur Gupta, assistente professore di ingegneria chimica e biologica presso l’Università del Colorado Boulder. “Allora, cosa dà a questi modelli una nitidezza così sorprendente? È qui che entra in gioco l’elettroforesi di diffusione.”

Le scoperte degli ingegneri suggeriscono che quando gli agenti chimici si diffondono, si formano i cromatofori Inoltre vengono trascinati lungo il loro percorso nel processo di elettroforesi di diffusione, creando punti e linee con un contorno più chiaramente definito. Secondo un comunicato stampa Sullo studio.

Gupta ha affermato che spera che i risultati promuovano ulteriori ricerche sulla foresi di diffusione in relazione all’embriogenesi e alla tumorigenesi, nonché alla morfogenesi e ai processi biologici di altre specie.

“L’idea di affinare le interfacce è una buona idea ed è certamente importante per la funzione biologica”, ha affermato. Il dottor Andrew KrauseProfessore assistente di matematica applicata presso l’Università di Durham nel Regno Unito Studia la teoria di Turingin un’e-mail.

“Idee matematiche come la diffusione spesso portano a interfacce ‘lisce’ o continue, mentre la maggior parte dei confini nei tessuti biologici (ad esempio, come i confini tra i nostri organi) sono relativamente rigidi”, ha detto Kraus, che non è stato coinvolto nello studio. almeno un modo possibile per affinare le regioni di espressione genetica.”

L’ipotesi di Turing apparve per la prima volta nel 1952 in un articolo intitolato “Le basi chimiche della morfogenesi”. La sua teoria sosteneva che i modelli animali non erano casuali, ma piuttosto un processo di reazione chimica e diffusione che portava sistematicamente alla comparsa di macchie o strisce sul leopardo. Università di Warwick.

Sebbene il processo di diffusione sia una modifica proposta per affinare la teoria di Turing basata sul recente studio, altre soluzioni potrebbero essere possibili, ha affermato. Jeremy Verdeprofessore di biologia dello sviluppo al King’s College di Londra.

“Le cellule sono molto appiccicose ed è improbabile che si muovano mediante l’elettroforesi di diffusione”, ha detto Green, che non è stato coinvolto nello studio, in una e-mail. “Il movimento delle cellule per affinare un modello di Turing (o addirittura qualsiasi confine) non è un’idea nuova e può avvenire non solo mediante chemiotassi (migrazione cellulare attiva) ma anche mediante altri meccanismi”.

Green ha affermato di ritenere che lo studio influenzerà probabilmente la modellazione e la sperimentazione futura, ma ci sono ancora dei buchi nella teoria di Turing che devono ancora essere esplorati. Green è coautore di A Studio del febbraio 2012 Che ha trovato prove a sostegno della teoria di Turing per quanto riguarda le protuberanze sul palato dei topi.

“Abbiamo considerato altre possibilità nella nostra ricerca e riconosciuto l’esistenza di processi come la chemiotassi, cioè la migrazione cellulare”, ha detto Gupta in una e-mail. “Non intendiamo affermare che la fotoforesi diffusiva sia l’unico meccanismo, ma piuttosto che esiste e non è stata adeguatamente apprezzata. Includere la diffusione aiuta a migliorare la robustezza di tali previsioni.”