Pada tahun 1952, Alan Turing, seorang ahli matematika Inggris yang terkenal karena karyanya dalam memecahkan kode dan kecerdasan buatan, dihukum karena homoseksualitas dan dijatuhi hukuman pengebirian bahan kimia. Tetapi dalam proses drama pribadi ini, ia masih menemukan waktu untuk menerbitkan
karya visioner tentang matematika pola berulang secara teratur di alam, yang dapat diterapkan pada pola harimau dan ikan zebra, bintik-bintik macan tutul dan jarak antara gigi buaya.
Sekarang, setelah 60 tahun, para ahli biologi menemukan bukti keberadaan nyata mekanisme
morfogenesis yang diajukan oleh Turing dalam penelitian itu. "Kita semua tahu strukturnya," kata Jeremy Green, ahli biologi perkembangan di King's College London. "Kita hanya perlu menyilangkan kimia dengan matematika untuk memahami biologi."
Karya ilmiah tahun 1952 muncul karena fakta bahwa Turing ingin memahami mekanisme yang mengarah pada penampilan pola-pola alami. Dia menyarankan bahwa pola seperti bintik-bintik terbentuk sebagai hasil dari interaksi dua senyawa kimia yang merambat melalui sistem kira-kira seperti atom gas dalam sebuah kotak, tetapi dengan satu perbedaan. Senyawa, yang disebut Turing "morfogen," tidak menyebar secara merata seperti gas, tetapi pada kecepatan yang berbeda. Satu berfungsi sebagai aktivator untuk penampilan karakteristik yang unik, seperti strip harimau, dan yang lainnya sebagai inhibitor, secara berkala menempel dan menghambat pelepasan aktivator.
Untuk menjelaskan ide-ide Turing, James Murray, seorang profesor emeritus biologi matematika di Universitas Oxford dan ahli matematika terapan di Princeton,
menyajikan bidang rumput kering yang ditaburkan oleh belalang. Jika rumput dibakar di beberapa tempat acak, dan tidak ada uap air untuk memadamkan api, maka api akan membakar seluruh lapangan. Jika skenario ini berkembang sesuai dengan skema Turing, maka panas dari nyala api akan menyebabkan beberapa belalang berkeringat, melembabkan rumput di sekitar mereka dan dengan demikian menciptakan bintik-bintik yang tidak terbakar secara berkala di ladang yang terbakar.
Asumsinya menarik, tetapi spekulatif. Turing meninggal dua tahun setelah pelepasan pekerjaan yang tanpa disadari selama beberapa dekade. "Dia tidak menerapkannya pada masalah biologis nyata apa pun," kata Murray. "Itu hanya hadiah untuk ahli matematika yang mencari masalah analitis."
Dan meskipun pada 1970-an ada ledakan karya teoretis dan pemodelan komputer, di mana pola seperti bintik-bintik dan garis-garis berhasil direproduksi menggunakan mekanisme Turing, biologi molekuler masih belum mendekati memungkinkan para peneliti untuk menunjukkan molekul spesifik yang berfungsi sebagai aktivator dan pemodelan. inhibitor.
Studi terbaru berpendapat bahwa mekanisme tersebut mungkin bertanggung jawab untuk jarak antara folikel rambut pada tikus, bulu pada burung, ketinggian langit-langit mulut tikus dan jari-jari pada cakar tikus.
Beberapa ahli biologi ragu mengakui mekanisme Turing sebagai satu-satunya alasan untuk munculnya pola periodik, khususnya karena kehadiran model lain dari penampilan mereka, misalnya, model yang diusulkan oleh Lewis Wolpert, seorang ahli biologi perkembangan terhormat di University College London. Menurut modelnya, sel-sel menentukan posisi mereka dalam ruang berdasarkan jumlah masing-masing morfogen, yang mengarah pada penampilan garis-garis, bintik-bintik atau jari-jari. Selain itu, menurut Wolpert, "belum ada yang mengidentifikasi molekul yang bekerja dalam mekanisme Turing."
Kurangnya temuan eksperimental adalah hambatan paling serius bagi pendukung Turing, tetapi ini mulai berubah. Baru-baru ini,
Green dan rekannya mengidentifikasi dua senyawa kimia yang bertindak sebagai aktivator dan inhibitor, yang menyebabkan munculnya penyimpangan periodik pada langit-langit embrio tikus. Protein
fibroblast growth factor (FGF) bertindak sebagai aktivator, dan varian genetik
Sonic the Hedgehog (Shh) sebagai inhibitor. Dengan mengurangi atau meningkatkan aktivitas senyawa-senyawa ini, para ilmuwan mengubah pola penyimpangan yang sangat sesuai dengan persamaan Turing.
Biologi adalah ilmu yang rumit dan kompleks, ia mencampur banyak faktor, yang mempersulit demonstrasi eksperimental hubungan antara pola dan mekanisme Turing. Dalam mencari bukti, Green dan rekannya menghapus salah satu bubungan di langit-langit, meningkatkan jarak di antara bubungan. Jika mekanisme Turing tidak ada di sana, lambang lain akan terbentuk di sana. Sebaliknya, para peneliti menemukan punggungan tambahan yang timbul dari pola bercabang dan mengisi ruang - tanda kehadiran mekanisme.
Mekanisme Turing berlaku untuk banyak sistem, dan hampir terlalu umum. Para peneliti menemukan sifat serupa dalam distribusi spesies dalam sistem ekologi, seperti model predator-prey, di mana mangsa bekerja sebagai aktivator, melipatgandakan dan meningkatkan jumlahnya, dan predator dengan inhibitor, mengatur ukuran populasi. Neuron juga dapat secara matematis digambarkan sebagai aktivator dan inhibitor yang meningkatkan atau menghambat aktivasi neuron otak tetangga.
"Jika Anda memiliki dua proses yang berfungsi sebagai aktivator dan inhibitor, Anda selalu dapat mengekstrak urutan berkala dari mereka," kata Green, mengutip riak dari bukit pasir sebagai contoh. “Di sini, tentu saja, tidak ada morfogen yang berserakan. Hanya saja proses memiliki sifat yang dapat dijelaskan oleh fungsi hamburan. "
Turing mengakui hal ini dalam karyanya: "Model ini disederhanakan dan diidealkan, dan karenanya mengubah realitas." Ini tidak berarti bahwa itu salah, hanya saja sangat sulit untuk menentukan perilaku sistem yang tampaknya mematuhi mekanisme Turing hingga menentukan proses fisik tertentu yang berfungsi sebagai aktivator dan inhibitor. Misalnya, percobaan dengan garis-garis ikan zebra menunjukkan bahwa mereka muncul karena mekanisme Turing, tetapi alih-alih mengisolasi senyawa kimia yang menyebar ke seluruh sistem, ikan memiliki dua jenis sel yang berfungsi sebagai aktivator dan inhibitor. Molekul yang mengaku sebagai aktivator dan inhibitor hanya bisa ada di dalam membran sel dan tidak dikeluarkan oleh kelenjar. Jadi agar mekanisme bekerja, sel harus bersentuhan satu sama lain.
Tentu saja, model Turing memiliki kekurangan. Mekanisme ini sendiri tidak dapat bertanggung jawab untuk memperbesar pola alami. Contoh penskalaan yang baik adalah telur ayam, karena mereka bisa besar, kecil, sedang, tetapi terlepas dari telur yang dibuahi, seekor ayam utuh menetas darinya - tanpa kehilangan bagian-bagian penting. "Pertanyaan yang tidak dijawab Turing: bagaimana cara mendapatkan proses penskalaan?" - kata Green.
Jawabannya mungkin dalam karya baru tentang pembentukan jari pada cakar embrio tikus. Menurut penulis bersama Maria Ros dari Universitas Cantanabria dan Dewan Peneliti Spanyol, studi ini mempelajari polydactyly - multi-fingering, misalnya, penampilan enam jari di tangan.
Urutan jari menyerupai strip. Tetapi jarak antara ujung jari adalah
panjang gelombang, jika Anda mau , dan jarak antara buku-buku jari berbeda. Urutan diskalakan secara proporsional. Jika garis-garis ini muncul dari mekanisme Turing, maka sesuatu harus memengaruhi penskalaan.
Beberapa gen dikaitkan dengan polydactyly, khususnya gen Gli3 yang diatur oleh Shh. Dalam studi sebelumnya, disimpulkan bahwa tidak adanya Gli3 dan Shh dalam embrio tikus menyebabkan peningkatan kelas gen Hox yang diperlukan untuk pengembangan struktur tubuh yang tepat, termasuk jumlah jari.
Tikus memiliki 39 gen Hox dalam empat kelompok. Ros memutuskan, dengan secara bertahap menghapus varian Hox, untuk menguji hipotesis bahwa peningkatan jumlah gen Hox mengarah pada peningkatan jumlah jari. Dia berpikir bahwa jumlah jari akan berkurang dengan penurunan jumlah gen Hox. Tetapi yang terjadi sebaliknya: semakin banyak gen Hox dihilangkan, semakin banyak jari muncul - hingga 15 buah dalam satu kasus.
Jari ekstra lebih tipis dan lebih dekat. Mereka dibagi menurut prinsip percabangan - yang sama yang diamati Green dalam percobaan dengan tuberkel pada langit-langit tikus. Ketika James Sharp, seorang ahli biologi sistem di Pusat Regulasi Genetik Barcelona dan rekan penulis Ros, memasukkan data pada ketebalan dan jarak antara jari-jari ke model komputernya, ia mampu menciptakan kembali efek ini melalui mekanisme Turing.
Ternyata dua proses terlibat dalam pembentukan jari: mekanisme Turing, yang menghasilkan pola menyerupai garis, dan mekanisme tuning, yang mengontrol skala melalui gen Hox. Sharpe melihatnya sebagai aspek berbeda dari satu mekanisme.
Mungkin lebih baik untuk mengasumsikan bahwa model Turing berperan dalam pembangunan, dan bekerja dalam konteks sistem biologis yang lebih besar, bersama dengan faktor-faktor lain, dan bukan merupakan mekanisme yang terpisah. "Proses Turing adalah bagian dari teka-teki dalam memahami bagaimana morfogen bekerja bersama," kata Green.
Kita sudah tahu bahwa gen berinteraksi dengan kedua gen lain dan dengan sejumlah besar faktor lingkungan. "Untuk benar-benar memahami perkembangan biologis, Anda perlu tahu bagaimana gen memengaruhi elemen fisik yang membentuk urutan yang diamati, apa elemen biologis spesifik, dan bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain," kata Murray. Sekali lagi, ada ruang untuk pemodelan teoritis. "Jika kita hanya perlu menggunakan genetika untuk memahami perkembangan, kita masih tidak tahu cara membuat ayam."