斑馬是如何得到它的條紋，或豹是它的斑點?自從我們最早記錄的日子以來，人類一直試圖回答這些問題，并且他們在現(xiàn)存的神話和早期世界的民間傳說中產(chǎn)生共鳴。在現(xiàn)代，我們研究數(shù)學模型，最近研究基因組科學，以揭示模式在生活組織中如何形成的解釋，但事實證明，完整的答案特別難以理解。
生命系統(tǒng)中的模式形成機制對于尋求在實驗室中開發(fā)活組織的生物工程師來說是最重要的。工程組織將有無數(shù)潛在的醫(yī)學應(yīng)用，但為了合成活組織，科學家需要了解生命系統(tǒng)中模式形成的起源。
伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校，麻省理工學院和約翰霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室的研究人員進行的一項新研究使科學更接近分子水平理解生命組織中模式的形成方式。研究人員設(shè)計的細菌在孵化和生長時表現(xiàn)出隨機的圖靈模式：培養(yǎng)皿中合成細菌的“草坪”在綠色區(qū)域發(fā)出不規(guī)則的紅色圓點圖案。
什么是經(jīng)典的圖靈模式?
圖靈圖案可以是由均勻狀態(tài)自然產(chǎn)生的條紋，斑點或螺旋。1952年，英國數(shù)學家，計算機科學家和理論生物學家阿蘭·圖靈提出了一種模式如何形成的機制，理論認為這是由于一種非常普遍的不穩(wěn)定性，他在數(shù)學上得出了這種機制。當時，生物學還沒有發(fā)現(xiàn)基因調(diào)控的復雜性，現(xiàn)在很清楚，圖靈提出的模型過于簡化，無法描述動物皮膚模式形成過程中的眾多參數(shù)。因此，雖然在某些化學反應(yīng)中觀察到圖靈模式，但已經(jīng)證明這種模式在生物有機體中很難證明。
我的物理學教授Nigel Goldenfeld教授利用捕食者 - 獵物類比來說明生物學中經(jīng)典圖靈模式形成的局限性。
“圖靈的機制問題，”Goldenfeld解釋說，“它取決于許多生物系統(tǒng)中不滿足的標準，即抑制劑必須比活化劑更快地移動。例如，如果相反在化學品方面，我們看著生態(tài)系統(tǒng)中的兩種生物，如狼和綿羊，狼需要能夠比綿羊更快地移動以獲得經(jīng)典的圖靈模式。這看起來像什么，你會先看到羊數(shù)量增加，喂狼，然后也會增加數(shù)量。狼群會跑來跑去包含綿羊，這樣你就可以得到很少的局部斑羊，外面有狼群。這基本上就是動物的機制圖靈發(fā)現(xiàn)的條款。“
隨機圖靈模型由隨機性驅(qū)動。
在目前的研究中，研究人員在實驗和理論上證明了圖靈模式實際上確實存在于活組織中 - 但是有一種扭曲。在圖靈模型中產(chǎn)生模式的不穩(wěn)定性被定義為兩種化學物質(zhì)(活化劑和抑制劑)之間的高擴散比，在這項研究中，研究人員證明它實際上是隨機性 - 在大多數(shù)實驗中將其視為背景噪聲 - 這就產(chǎn)生了Goldenfeld創(chuàng)造的隨機圖靈模式。
大約十年前，Goldenfeld和前研究生Tom Butler博士開發(fā)了一種隨機圖靈模式理論，其中模式不是來自高抑制劑 - 活化劑比率，而是來自隨機基因表達的噪音。Goldenfeld解釋說，“大約10年前，我們問過，如果只有少量的綿羊會發(fā)生什么事情，那么人口數(shù)量就會大幅波動?現(xiàn)在你得到了羊隨機死亡的過程。我們發(fā)現(xiàn)，當你給出隨機性的誕生，實際上推動了隨機圖靈模式的形成。這些是隨機模式，但它們具有非常有特色的結(jié)構(gòu)，我們用數(shù)學方法計算出它是什么。
“隨機圖靈模式的理論并不要求獵物和捕食者，激活劑和抑制劑之間的速度有很大差異。它們可以或多或少相同，但你仍然可以獲得一種模式。但它不會是一種規(guī)律的模式。它會以某種方式混亂。“
生物工程實驗
本研究中的細菌圖案化實驗大約在同一時間進行，Goldenfeld和Butler正在開發(fā)他們的理論。體內(nèi)研究的最初動機是看是否可以設(shè)計細菌以產(chǎn)生圖靈不穩(wěn)定性?；趫D靈的激活抑制思想，研究人員使用合成生物學來設(shè)計細菌。他們給細菌注入了使細菌發(fā)出并接收兩種不同分子作為信號的基因。研究人員將熒光報告分子附加到分子上，創(chuàng)建了一個系統(tǒng)，通過它們的信號分子可以看到遺傳電路的開/關(guān)切換：活化劑發(fā)出紅色熒光，抑制劑發(fā)綠光。研究人員觀察到，從均勻的薄膜開始，
麻省理工學院最初的實驗和建模工作由Ron Weiss領(lǐng)導，現(xiàn)由約翰霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室的David Karig和現(xiàn)在的U大學的Ting Lu進行，之后由研究生Nicholas DeLateur繼續(xù)進行。在麻省理工學院。
Goldenfeld指出，“Serendipity肯定在我們連接我們的兩項研究中發(fā)揮了作用，正如學術(shù)界經(jīng)常做的那樣 - 正確的地方，正確的時間和我們的想法融合在一起。”
驗證隨機圖靈理論
為了測試實驗是否真的被新理論描述需要花費數(shù)年的時間。K. Michael Martini，我在U大學的活細胞物理中心的研究生，與Goldenfeld一起建立了一個非常詳細的隨機模型，描述了這些合成模式形成基因環(huán)路的情況，計算了后果然后將理論預測與生物工程師在培養(yǎng)皿中看到的結(jié)果進行比較。
“為了真正證明我們的隨機模式是有效的 - 這很難。我們已經(jīng)做了很多預測，必須在實驗中進行驗證，”Goldenfeld評論道。“因為描述這些模式的數(shù)學有很多參數(shù)，我們必須探索每種模式的所有效果。它涉及在參數(shù)空間中進行大量搜索，以揭示模式形成的機制。并且必然會有很多相互作用和我們的工程同事合作。
“我們的工作表明，即使在你不希望看到它們的情況下，你也可以獲得圖靈模式，但它們是無序模式 - 隨機圖靈模式。這里的隨機性不是誕生和綿羊或狼的死亡，但它是蛋白質(zhì)的誕生和死亡，創(chuàng)造和吸收。這是一個非常反直覺的預測：產(chǎn)生這些模式的隨機基因表達的噪音。通常你會想到消除信號的噪音如果你試圖通過收音機聽音樂，信號中的噪音就會淹沒它。但在這種情況下，我們有一個噪音穩(wěn)定的模式。“
這些發(fā)現(xiàn)為一個古老的問題提供了新的視角，并開始為未來生物醫(yī)學工程的努力鋪平道路。
Goldenfeld肯定地說，“這確實是你可以設(shè)計體內(nèi)隨機圖靈模式的第一個原理證明，雖然它并不簡單。所以現(xiàn)在我們知道這種機制確實可行，并且這些波動可以驅(qū)動模式。最終，生物工程師會我喜歡用這種技術(shù)來制造新的組織和新的功能性生物系統(tǒng)。我們的研究表明，你可以在不能使用經(jīng)典圖靈模式的情況下做到這一點。“