Криптография разгадала биологию

Принцип формирования периодической окраски у животных был предсказан математиком Тьюрингом



Периодическая окраска определяется попеременной работой двух морфогенов

Периодическая окраска определяется попеременной работой двух морфогенов

discovery.com
Вслед за разгадкой секрета окраски зебры ученые выяснили, почему тигры полосатые, а леопарды пятнистые. Общий принцип, ответственный за периодические мотивы, был предсказан еще математиком Аланом Тьюрингом и может оказаться полезным для управляемой дифференциации стволовых клеток.

Гипотеза о происхождении пестрой окраски животных семейства кошачьих принадлежит отнюдь не биологам и зоологам. Первым ее высказал знаменитый английский математик, логик, криптограф, оказавший существенное влияние на развитие информатики, Алан Тьюринг (в этом году Великобритания празднует столетие со дня его рождения). Еще в середине прошлого века он предположил, что регулярно повторяющиеся узоры в биологических системах создаются парой веществ-морфогенов, одно из которых работает как активатор, а другое как ингибитор, то есть «включатель» и «выключатель». Морфогенами называют все вещества, определяющие поведение и судьбу клеток, их воспринимающих, в зависимости от дозы (концентрации) вещества в данном участке многоклеточного зародыша.

Ученые из Королевского колледжа Лондона подтвердили, что чисто математическая гипотеза Тьюринга о протекании биологических процессов верна.

Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Genetics.

Обнаруженный механизм не только объясняет формирование внешнего вида позвоночных, но и, как предполагают ученые, может быть использован в регенеративной медицине для направленной дифференциации стволовых клеток в клетки различных тканей.

Чтобы проверить гипотезу Тьюринга, исследователи изучили процесс формирования ребристого нёба мыши (если вы когда-нибудь пробовали засунуть палец в рот своей кошке, вы представляете себе эти повторяющиеся неровности).

Проводя опыты над мышиными эмбрионами, ученые обнаружили пару морфогенов, поочередно включающих образование «горки» и «бороздки» на нёбе зверька.

Вещества работают «в связке», контролируя выделение друг друга (активируя и ингибируя выработку в нужный момент) и формирование «правильного» рельефа.

Исследователям удалось выделить специфические морфогены, вовлеченные в этот процесс — их называют FGF (Fibroblast Growth Factor) и Shh (Sonic Hedgehog). Когда активность этих морфогенов падает или растет, рельеф нёба мыши формируется в полном соответствии с гипотезой Тьюринга. Это первый случай, когда соответствующие морфогены были напрямую идентифицированы, и он полностью подтверждает спорную до сих пор гипотезу Тьюринга.

«Периодические структуры, от позвоночника и волосяных фолликулов до полосок тигра или рыбки данио-рерио, — фундаментальное свойства биологических систем. До сих пор существовали несколько теорий их формирования в природе, однако до настоящего метода для теории Тьюринга прямых доказательств не было. Наше исследование — первое экспериментальное подтверждение работы системы активатор-ингибитор для формирование «полос» (в данном случае это нёбо мыши)», — заявил Джереми Грин, руководивший работой.

«Этот год — год столетия Тьюринга, и мы были просто обязаны отдать дань замечательной гипотезе великого математика.

Она ждала этого слишком долго — более 50 лет!» — отметил Грин.

Ребристое нёбо нужно мыши, чтобы ощущать и пробовать на вкус еду, однако большого медицинского значения оно не имеет. Вместе с тем это лишь один из примеров формирования периодических структур в живых существах, и многие из них чрезвычайно важны. Ученые полагают, что морфогены помогут будущей регенеративной медицине в правильном выращивании органов из стволовых клеток.