Un equipo de investigadores de EMBL ha ampliado la teoría fundamental de Alan Turing sobre cómo se crean los patrones en los sistemas biológicos. Este trabajo, que se realizó en parte en el Centro de Regulación Genómica (CRG), puede responder si los patrones de la naturaleza se rigen por el modelo matemático de Turing y podrían tener aplicaciones en la ingeniería de tejidos. Sus resultados han sido publicados el 20 de junio en Revisión física X .

Alan Turing trató de explicar cómo surgen los patrones en la naturaleza con su teoría de 1952 sobre la morfogénesis. Las rayas de una cebra la disposición de los dedos y los verticilos radiales en la cabeza de un girasol, el propuso, Todos están determinados a través de una interacción única entre moléculas que se extienden por el espacio y que interactúan químicamente entre sí. La famosa teoría de Turing se puede aplicar a varios campos, de la biología a la astrofísica.

Se ha propuesto que muchos patrones biológicos surgen de acuerdo con las reglas de Turing, pero los científicos aún no han podido proporcionar una prueba definitiva de que estos patrones biológicos estén regidos por la teoría de Turing. El análisis teórico también parecía predecir que los sistemas de Turing son intrínsecamente muy frágiles, improbable para un mecanismo que gobierna patrones en la naturaleza.

Yendo más allá de la teoría de Turing

Xavier Diego, James Sharpe y sus colegas del nuevo sitio de EMBL en Barcelona analizaron la evidencia computacional de que los sistemas de Turing pueden ser mucho más flexibles de lo que se pensaba. Siguiendo esta pista, los científicos, con sede en el CRG y ahora en EMBL, expandió la teoría original de Turing mediante el uso de la teoría de grafos, una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de las redes y facilita el trabajo con complejos, sistemas realistas. Esto llevó a la comprensión de que la topología de la red, la estructura de la retroalimentación entre los componentes de las redes, es lo que determina muchas propiedades fundamentales de un sistema de Turing. Su nueva teoría topológica proporciona una visión unificadora de muchas propiedades cruciales para los sistemas de Turing que antes no se entendían bien y define explícitamente lo que se requiere para hacer un sistema de Turing exitoso.

Un sistema de Turing consiste en un activador que debe difundirse a un ritmo mucho más lento que un inhibidor para producir un patrón. La mayoría de los modelos de Turing requieren un nivel de ajuste fino de parámetros que les impide ser un mecanismo robusto para cualquier proceso real de creación de patrones. "Aprendimos que estudiar un sistema de Turing a través de la lente topológica realmente simplifica el análisis. Por ejemplo, comprender la fuente de las restricciones de difusión se vuelve sencillo, y más importante, podemos ver fácilmente qué modificaciones son necesarias para relajar estas restricciones, "explica Xavier Diego, primer autor del artículo.

"Nuestro enfoque se puede aplicar a los sistemas generales de Turing, y las propiedades serán verdaderas para redes con cualquier número de componentes. Ahora podemos predecir si la actividad en dos nodos de la red está dentro o fuera de fase, y también descubrimos qué cambios son necesarios para cambiar esto. Esto nos permite construir redes que hacen que cualquier par de sustancias deseado se superponga en el espacio, que podría tener aplicaciones interesantes en la ingeniería de tejidos ".

Jeroglíficos de Turing para grupos experimentales

Los investigadores también proporcionan un método pictórico que permite a los investigadores analizar fácilmente las redes existentes o crear nuevos diseños de redes. "Los llamamos 'jeroglíficos de Turing' en el laboratorio, "dice el líder del grupo EMBL Barcelona, ​​James Sharpe, quien dirigió el trabajo. "Al usar estos jeroglíficos, esperamos que nuestros métodos sean adoptados tanto por teóricos como por grupos experimentales que están tratando de implementar redes de Turing en células biológicas ".

Esta teoría ampliada proporciona a los grupos de investigación experimental un nuevo enfoque para hacer que las células biológicas se desarrollen en patrones en el laboratorio. Si los grupos experimentales tienen éxito en esto, las preguntas sobre si la teoría de la morfogénesis de Turing se aplica a los sistemas biológicos finalmente serán respondidas.