Biólogos estão se aproximando do padrão de Turing

Em 1952, Alan Turing, um matemático britânico mais conhecido por seu trabalho em códigos de decodificação e inteligência artificial, foi condenado por homossexualidade e condenado a castração química. Mas, no processo desse drama pessoal, ele ainda encontrou tempo para publicar um trabalho visionário sobre a matemática de padrões regularmente repetidos na natureza, que pode ser aplicado a padrões de tigres e peixes-zebra, manchas de leopardo e distâncias entre dentes de jacaré.

Agora, após 60 anos, os biólogos estão descobrindo evidências da real existência de mecanismos de morfogêneseproposto por Turing nesse trabalho. "Todos conhecemos as estruturas", diz Jeremy Green, biólogo do desenvolvimento do King's College London. "Nós só precisamos cruzar química com matemática para entender a biologia."



O trabalho científico de 1952 apareceu devido ao fato de Turing querer entender os mecanismos que levam ao aparecimento de padrões naturais. Ele sugeriu que padrões como manchas são formados como resultado da interação de dois compostos químicos que se propagam pelo sistema aproximadamente como átomos de gás em uma caixa, mas com uma diferença. Os compostos, que Turing chamou de "morfogênios", não se espalham uniformemente como o gás, mas em velocidades diferentes. Um serve como ativador para o aparecimento de uma característica única, como uma faixa de tigre, e o outro como inibidor, aderindo e inibindo periodicamente a liberação do ativador.

James Murray, professor emérito de biologia matemática da Universidade de Oxford e matemático aplicado em Princeton, introduziu um campo de grama seca para explicar as idéias de Turing.em que os gafanhotos se espalharam. Se a grama for incendiada em vários locais aleatórios e não houver umidade para extinguir o fogo, o fogo queimará todo o campo. Se esse cenário se desenvolvesse de acordo com o esquema de Turing, o calor da chama causaria o suor de alguns gafanhotos, umedeceria a grama ao seu redor e, assim, criaria pontos não queimados periódicos no campo queimado.



A suposição foi interessante, mas especulativa. Turing morreu dois anos após o lançamento de um trabalho que passou despercebido por décadas. "Ele não o aplicou a nenhum problema biológico real", diz Murray. "Foi apenas um presente para matemáticos que procuravam problemas analíticos."

E, embora na década de 1970 tenha havido uma explosão de trabalho teórico e modelagem computacional, em que padrões como manchas e listras foram reproduzidos com sucesso usando mecanismos de Turing, a biologia molecular ainda não chegou perto de permitir que os pesquisadores apontassem moléculas específicas que funcionam como ativadores e inibidores.

Estudos recentes têm argumentado que esses mecanismos podem ser responsáveis ​​pelas distâncias entre folículos capilares em ratos, penas em pássaros, elevações no palato de ratos e dedos nas patas de ratos.



Alguns biólogos são céticos em reconhecer os mecanismos de Turing como a única razão para o aparecimento de padrões periódicos, em especial devido à presença de outros modelos de aparência, por exemplo, o modelo proposto por Lewis Wolpert, especialista honorário em biologia do desenvolvimento na University College London. De acordo com seu modelo, as células determinam sua posição no espaço com base na quantidade de cada um dos morfógenos, o que leva ao aparecimento de listras, pontos ou dedos. Além disso, segundo Wolpert, "ninguém ainda identificou moléculas que funcionam nos mecanismos de Turing".

A falta de descobertas experimentais foi o obstáculo mais sério para os apoiadores de Turing, mas isso está começando a mudar. Green e colegas identificaram recentementedois compostos químicos que se comportam como ativador e inibidor, levando ao aparecimento de irregularidades periódicas no palato dos embriões de camundongos. A proteína do fator de crescimento de fibroblastos (FGF) atua como ativador e a variante genética Sonic the Hedgehog (Shh) como inibidor. Ao diminuir ou aumentar a atividade desses compostos, os cientistas mudaram o padrão de irregularidades em estrita conformidade com as equações de Turing.

A biologia é uma ciência complicada e complexa, que mistura muitos fatores, o que complica a demonstração experimental da relação entre padrões e o mecanismo de Turing. Em busca de evidências, Green e seus colegas removeram um dos cumes do palato, aumentando a distância entre os cumes. Se o mecanismo de Turing não estivesse lá, outra crista teria se formado lá. Em vez disso, os pesquisadores encontraram cumes adicionais decorrentes de um padrão ramificado e preenchendo o espaço - um sinal da presença de um mecanismo.



O mecanismo de Turing é aplicável a muitos sistemas e é quase generalizado demais. Os pesquisadores encontraram propriedades semelhantes na distribuição de espécies em sistemas ecológicos, como o modelo predador-presa, no qual as presas funcionam como ativadores, multiplicam e aumentam seu número, e predadores por inibidores, regulando o tamanho da população. Os neurônios também podem ser matematicamente descritos como ativadores e inibidores que aumentam ou inibem a ativação dos neurônios cerebrais vizinhos.

“Se você tem dois processos que funcionam como ativador e inibidor, sempre é possível extrair sequências periódicas deles”, diz Green, citando como exemplo as ondulações das dunas. “Aqui, é claro, não há morfogênicos dispersos. É só que os processos têm propriedades que podem ser descritas pela função de dispersão. ”

Turing reconheceu isso em seu trabalho: "Este modelo é simplificado e idealizado e, portanto, distorce a realidade". Isso não significa que seja falso, é apenas muito difícil mudar da determinação do comportamento de um sistema que parece obedecer ao mecanismo de Turing para determinar certos processos físicos que funcionam como ativador e inibidor. Por exemplo, experimentos com listras de peixe-zebra mostraram que eles surgem devido ao mecanismo de Turing, mas em vez de isolar compostos químicos que se espalham pelo sistema, os peixes têm dois tipos de células que servem como ativadores e inibidores. As moléculas que afirmam ser ativadoras e inibidoras podem existir apenas dentro da membrana celular e não ser secretadas pelas glândulas. Portanto, para que o mecanismo funcione, as células devem estar em contato umas com as outras.



Obviamente, o modelo de Turing tem falhas. Esse mecanismo por si só não pode ser responsável por ampliar os padrões naturais. Um bom exemplo de descamação são os ovos de galinha, porque eles podem ser grandes, pequenos, médios, mas, independentemente do ovo fertilizado, um frango inteiro choca com ele - sem perder partes críticas. "A pergunta que Turing não responde: como obter o processo de dimensionamento?" - diz Green.

A resposta pode estar em um novo trabalho sobre a formação de dedos nas patas dos embriões de camundongos. Segundo a coautora Maria Ros, da Universidade da Cantanabria e do Conselho de Pesquisadores Espanhóis, o estudo estuda polidactilia - dedos múltiplos, por exemplo, a aparência de seis dedos em uma mão.

A seqüência de dedos se assemelha a tiras. Mas a distância entre as pontas dos dedos é o comprimento de onda, se você preferir , e a distância entre as juntas é diferente. A sequência é dimensionada proporcionalmente. Se essas faixas surgirem do mecanismo de Turing, algo deverá afetar a escala.

Vários genes estão associados à polidactilia, em particular o gene Gli3 regulado por Shh. Em estudos anteriores, concluiu-se que a ausência de Gli3 e Shh em embriões de camundongos levou a um aumento na classe de genes Hox necessários para o desenvolvimento adequado da estrutura corporal, incluindo o número de dedos.

Os ratos têm 39 genes Hox em quatro grupos. Ros decidiu, removendo gradualmente as variantes Hox, testar a hipótese de que um aumento no número de genes Hox leva a um aumento no número de dedos. Ela pensou que o número de dedos diminuiria com uma diminuição no número de genes Hox. Mas o oposto aconteceu: quanto mais genes Hox foram removidos, mais dedos apareceram - até 15 pedaços em um caso.

Dedos extras eram mais finos e mais próximos. Eles foram divididos de acordo com um princípio de ramificação - o mesmo que Green observou em experimentos com tubérculos no palato de ratos. Quando James Sharp, biólogo de sistemas do Centro de Regulação Genética de Barcelona e co-autor de Ros, forneceu dados sobre a espessura e a distância entre os dedos aos modelos de seu computador, ele conseguiu recriar esse efeito através do mecanismo de Turing.



Acontece que dois processos estão envolvidos na formação dos dedos: o mecanismo de Turing, que produz um padrão semelhante a listras, e o mecanismo de ajuste, que controla a escala através dos genes Hox. Sharpe os vê como aspectos diferentes de um mecanismo.

Talvez seja melhor supor que o modelo de Turing desempenha um papel no desenvolvimento e funcione no contexto de um sistema biológico maior, junto com outros fatores, e não seja um mecanismo separado. "O processo de Turing é uma peça do quebra-cabeça para entender como os morfogênios funcionam juntos", diz Green.

Já sabemos que os genes interagem com os outros genes e com um grande número de fatores ambientais. "Para realmente entender o desenvolvimento biológico, você precisa descobrir como os genes afetam os elementos físicos que criam as seqüências observadas, quais são os elementos biológicos específicos e como eles interagem entre si", diz Murray. Novamente, há espaço para modelagem teórica. "Se precisássemos usar a genética para entender o desenvolvimento, ainda não saberíamos como fazer uma galinha".

Source: https://habr.com/ru/post/pt401251/