Криптография разгадала биологию

Принцип формирования периодической окраски у животных был предсказан математиком Тьюрингом

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.